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1、压控函数发生器课程设计实验报告1、课程设计内容及要求1.1、设计内容压控函数发生器1.2、课程设计要求及技术指标1. 输出波形：三角波、方波、正弦波2. 频率范围：010KHz范围内可调，对应控制电压为02V 3. 输出电压：三角波U p-p =8V，方波0-10V ，正弦波U p-p =4V2、压控函数发生器设计总方案及方框图2.1、原理方框图图2-1 原理方框图2.2、压控函数发生器设计总方案选择针对函数发生器基本原理，本设计采用由集成运算放大器及晶体管差分放大电路共同组成方波三角波正弦波函数发生器设计方案。据2.1所示方框图分析，首先，V ix 通过滑动变阻器及定值电阻分压方式得到02V
2、连续变化控制电压。然后由比较反馈电路与积分器组成方波、三角波产生电路；积分器得到三角波，经由比较反馈电路产生方波；三角波到正弦波变换则主要由差分放大器组成非线性转换电路完成，其波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线非线性性。函数发生器设计，有分立元件设计方案（如全晶体管信号发生器），也可采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）设计。分立元件方案，有利于实验者进一步掌握电路基本理论及实验调试技术，且价格低廉，但实际操作中调试过程过于复杂性，且其性能难以保证；采用集成电路设计方案，在性能上虽得到保证，但却失去了实验者在实验调试技术上锻炼，且器件价格也较高；因而本课程设计结合二者优点，采用集成
3、运算放大器及晶体管放大电路设计方案，具有较高性价比同时，既有益于实验者对基本理论进一步掌握，也使实验者在实验调试技术上也得到良好锻炼。而课程设计中，选择晶体管差分放大电路来完成三角波到正弦波转换，则是源于差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰力强优点，同时作为直流放大器，可以有效抑制零点漂移。3、框内电路设计工作原理及数据计算3.1、02V直流信号产生电路图3-1 直流分压采用电阻分压方式，运用滑动变阻器获得02V连续变化直流信号。AR 1运算放大器组成电压跟随器作为缓冲级，根据其输入阻抗大，输出阻抗小特点，使信号可以接近无衰减传输到下一级。不过，根据运算放大器电路平衡原则可知，在AR
4、1反馈支路上由于没有电阻，会造成一定信号传输误差，故在调试阶段可添加一个小电阻来进行误差调整（在实验实际操作中，该误差可以忽略）。数据计算：R 2U 1=VR 1+R 2U 1max（1）R 2=V 1=2 （2） R 1+R 23.2、三角波方波产生电路3.2.1、极性变换电路运用三极管开关特性，用U4电压控制三极管Q1导通及断开，当Q1断开（截止），运算放大器AR2电路为同相放大器及反向放大器结合，U1、U2之间满足关系：图3-2 极性变换R 6R 6U 2=(1+ U 1-U 1R 4+R 5R 3（3）当Q1闭合（饱与），AR2电路则为纯反向放大器，U1、U2之间关系式应满足关系：U
5、2=-R 6U 1R 3（4）根据运算放大电路电阻平衡原则与极性变换电路仅需改变电压极性而不改变绝对电压大小原则，各电阻之间应满足关系：R 3=R 6； R 4=R 5； R 6/R 3=R 5故有：、三极管截止时即开关断开时 、三极管饱与时即开关闭合时 就为U p-p =2U1方波。U 2=U 1 U 2=-U 1因此，当三极管以一定频率在饱与及截止变换时，极性变换电路输出电压U 23.2.2、积分电路积分电路可以实现方波三角波转换，主要运用电容充放电原理。 则U 3输出波形即为三角波，根据积分电路计算有：图3-3 积分电路1U 3=-U 2dt R 7C 1（5）同时为保证运算放大器电阻平
6、衡，电阻之间应满足条件：R 8=R 73.2.3、比较电路图3-4 比较该比较电路为施密特电路，将三角波U 3变换成正弦波U 5，由施密特电路原理可知，当|U 3|U ref |时，U 4将会变换极性。U 4为U p-p =2U 4方波，运用二极管单向导通性，得到仅有正向电压方波U 5。其中电压之间应满足关系为：U refR 9=U 4 （6） R 9+R 103.2.4、三角波方波产生总电路图3-5 三角波-方波产生电路三角波幅值：A =|U ref三角波频率：R 9|=U 4R 9+R 10 （7）U 1f =4U ref R 7C 1频率公式推导过程：（8）1T2|U 2|dt -|U
7、ref |=|U ref |0R 7C 1且|U 2|=U 1U 14U ref R 7C 1f =在运用二极管单向导通性获得仅有正向电压方波U 5时，有约为0.7V 压降，故可得知：方波幅值为|U 4|-0.7，其频率及三角波一致。根据课程设计数据要求可知U 5为已知固定值，因此可得知 U 4为定值，则当R 9、R 10为确定后，根据式（7）可知输出三角波U 3幅值A 为定值，据式（8）所示结果可知输出波形频率f 及输入控制电压U 1成线性关系，即达到电压控制函数发生器输出波形频率目。3.3、非线性转换电路（三角波正弦波）图3-6 差分放大电路正弦波变换如图所示，该非线性转换电路主要有差分放
8、大电路组成，差分放大电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰力强优点，尤其用作直流放大器，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率较低三角波转换成正弦波，波形变换原理是利用差分放大电器传输特性曲线非线性。图3-7 三角波正弦波波形从示意图中可以看出，运用差分电路在电压U im 附近其特性曲线呈非线性，因此利用这一特性，给以差分放大电路峰值接近U im 三角波，则可以产生如图3-7中所示正弦波。运用差分电路来进行三角波正弦波转换，为了得到好波形，在设计中需要注意到：（1）、差分电路对称性影响传输特性曲线对称性，且线性区越窄越好。（2）、在调节正弦波图形时，三角波幅度幅值是关键，其大小应正好使晶体管接近
9、饱与区或截止区。（3）、电路中，电容主要起隔直流作用，可改善波形。（5）晶体管静态工作点要合适，避免图形失真。4、电路仿真电路原理仿真主要运用仿真软件EWB 进行，进行该步骤既可以检验原理设计正确性，也可以帮助理解各分电路工作原理。4.1、三角波方波电路仿真三角波仿真图形方波仿真图形方波及三角波组合仿真图形从该图形中三角波及方波之间变换关系，可以直观帮助我们理解三角波方波转换原理。4.2、非线性转换电路仿真（三角波正弦波）正弦波仿真图形三角波正弦波组合仿真图形该仿真结果，证实运用差分放大电路特性曲线非线性性将三角波转换成正弦波是可行，而图形也直观展示出电路工作特点。5、安装调试及问题解决5.1
10、、参数确定参数确定总原则：在可提供实验器材基础上，根据所设计电路及所要达到级数指标要求，确定最佳参数。在课程设计要求所述函数发生器技术指标中，频率变化范围达到10K 级，为保证所设计电路可在高频段正常工作，因而所有元算放大器均选用LF353型号，其工作特性，可适应频率大范围变化电路工作要求5.1.1、压控电路（图3-1）参数确定根据式（1）、（2）关系所示，结合实际可取V 1=12V，R 1=5K，R 2为1k 滑动变阻器。 在其中跟随器电路反馈支路上中，由于是运算放大器、P 极有电阻不平衡，因而在电路实际工作中可能出现误差，但其影响极小，在其后误差调整中，为了达到更高精度要求，可以选择在此处
11、添加一个小电阻。5.1.2、极性变换电路（图3-2）参数确定在满足式（3）、（4）所式关系，满足运算放大器工作平衡条件下，R 3=R 6=20K ，R 4=R 5=10K 。5.1.3、积分电路（图3-3）参数确定积分电路在整个函数发生器设计中是最为关键部分，尤其是对工作频率影响尤为重要，由式（8）f =U 14U ref R 7C 1可知，在Uref 已定条件下，频率在已定U1变化区间已定控制下，其变化范围就由R7、C1来决定，而为了使电路在高频下正常功过，电容C1选择0.01f ，相应可得知R7取值在1.1K1.3K范围内，为调试方便，课选用滑动变阻器代替，既有利于函数发生器，频率变化精度
12、，又有利于在调试过程中操作方便性。5.1.4、比较电路（图3-4）参数确定比较电路为施密特电路，其翻转电压直接决定了三角波幅值，有式（7）A =|U ref |=R 9U 4R 9+R 10可知，三角波幅值，在U4 已定条件下，仅决定于R9、R10大小，因而运R 10=16.75K 。用课程设计技术指标A=4要求来确定电阻大小，取R 9=10K 、5.1.5、差分放大电路（图3-5）参数确定在满足运算放大电路正常工作产生较好正弦波形同时，满足正弦波幅度调节范围要求各个器件取值：R =12K 、R 14=1K 、R 15=R 21=6.8K 、R 16=R 17=20K 、R 18=1.2K 、
13、R 19=3K 、R 22=100K 、R 20为100k 滑动变阻器。其中R13、R14选取是考虑进入非线性转换电路三角波幅值不可过大要求，且其幅值具有较大可变动范围；R15、R21是差分放大电路平衡电阻，差分电路平衡及否直接影响所输出正弦波对称性；R16、R17为集电极电阻，取之较大是为了得到合适Ic 值；而电阻R18、R19选取，主要出于差分放大电路静态工作点；R22选取较大电阻则是为了使最终输出正弦波具有较大幅值变化范围。5.2、电路连接总图注：图中运算放大器均为简化模型，未标注电源接头，所有运放均加12V 电压.图5-1 电路连接5.3、调试电路如图进行连接后，其频率变化范围并未如预
14、期010K变化范围，据分析可知R 7=1.2K选取存在问题，因此为了更为便捷进行调控，实际操作中将R 7定值电阻变成一个可变范围为4.7K 可变电阻器。对于比较电路中R 9、R 10定值中，R 9确定为定值电阻16.75K ，而器件提供中，16.75K 定值电阻却没有，因而可以考虑用滑动变阻器进行调节，但考虑到滑动变阻器有限性及整个电路连接清晰性，因而选择用15.1K 定值电阻来替代，同时相应改变R 9值，但R 9电阻并未如预期计算结果成比例变化，这主要是由于比较电路（施密特电路）跳转电压U ref 误差。最后是关于差分电路调试，曾考虑如果电阻R 22取值越大，则输出正弦波幅值则越大，但实际情
15、况并非如此，当电阻R 22过大后，使得正弦波幅值可变化范围变小，经过尝试，R 22=100K是较为合适选择。R 11电阻，由于在原参数确定时，近粗略考虑运算放大平衡，而使得方波输出为达到10V 幅值，因而选择增大R 11值，来增大方波幅值，经过试验，最终在R 11=3K时，达到所需技术指标。5.4、实验波形结果（此结果均为照片拍摄）三角波:方波:正弦波根据这三个波形可见，整个函数示波器，在图形输出上达到了较好效果，据课 程设计实体各个参数具体测量，压控频率变化具有较好线性关系。 6、总图 6.1、设计图 附于报告最后一页 6.2、器件表 - 15 - 定值电阻 1.2K3 3K3 5.1K1
16、6.8K2 8.2K1 10K2 12K1 15.1K1 20K4 100K1 滑动变阻器 1K2 100K1 电容 0.01f1 10f1 100f1 集成运算放大 器 LF3532 晶体管 二极管1 双极性晶体管 90134 6.3、器件管脚图 - 16 - 9013 LF353 e b c 7、参考书籍 模拟电子技术基础(第四版 第四版童诗白清华大学电子学教研组 清华大学电子学教研组 8、体会 与以往实验有很大不同，以前实验室验证结果式 本次课程设计，与以往实验有很大不同 以前实验室验证结果式，而这 一次从原理设计到具体器件连接、调试一个完整过程，当中器件参数没有 一次从原理设计到具体器
17、件连接 参数没有限定，自 由发挥空间较大，整个过程让我大致体会作为一个系统工程设计师该具体素质 整个过程让我大致体会作为一个系统工程设计师该具体素质， 整个过程让我大致体会作为一个系统工程设计师该具体素质 也让自己更加明确努力地方向 努力地方向。 在原理设计中，通过对原理分析 理解对上学期模拟电子技术学习有了一 通过对原理分析、理解对上学期模拟电子技术学习有了一 个很好巩固，同时通过 EWB 仿真过程，既熟悉了该软件使用， 同时通过 ，对今后更进一步 学习打下基础，也对理论性电路原理有了具象理解 也对理论性电路原理有了具象理解。 将理论付之实践是本次课程设计重要目，在电路连接调试中 将理论付之实践是本次课程设计重要目 在电路连接调试中，既锻炼了自 己动手能力，也更好掌握各类电子仪器使用 也更好掌握各类电子仪器使用，如万用表、直流 直流信号发生器 在具体调试中，是对所设计电路进一步理解 也使自己在系统问题排查、解决方面 是对所设计电路进一步理解，也使自己在系统问题排查 能力得到很好锻炼。 。 - 17 - 第 12 页