壓控函數(shù)發(fā)生器

1、 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 課程名稱： 壓控函數(shù)發(fā)生器 班 級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 指導(dǎo)老師： 1. 設(shè)計(jì)要求(1)設(shè)計(jì)一個(gè)至少可以輸出方波、三角波、正弦波這三種波形的壓控函數(shù)發(fā)生器。(2)根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)分析各單元電路的設(shè)計(jì)過程，逐級(jí)設(shè)計(jì)各單元電路，畫出單元電路原理圖，分析主要元器件的選擇依據(jù)。(3)設(shè)計(jì)各單元電路的實(shí)現(xiàn)、調(diào)試、測(cè)試方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格，完成單元電路測(cè)試，分析各單元電路的測(cè)試數(shù)據(jù)和輸入、輸出波形是否滿足設(shè)計(jì)要求。(4)根據(jù)前面的設(shè)計(jì)分析，畫出系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖或系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖。(5)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖逐級(jí)級(jí)聯(lián)各單元電路，每增加一級(jí)電路， 必須先測(cè)試并檢驗(yàn)級(jí)聯(lián)后的電路是否滿足設(shè)

2、計(jì)要求。如果級(jí)聯(lián)后的電路可以滿足設(shè)計(jì)要求，方可繼續(xù)級(jí)聯(lián)下一級(jí)電路;如果級(jí)聯(lián)后的電路不能滿足設(shè)計(jì)要求，則必須先定位問題所在點(diǎn)，完成糾錯(cuò)后方可繼續(xù)級(jí)聯(lián)下一級(jí)電路。否則，一旦系統(tǒng)電路出現(xiàn)故障，將很難排查。(6) 設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路的測(cè)試方案和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格，測(cè)試系統(tǒng)電路的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和輸入、輸出波形，詳細(xì)分析系統(tǒng)電路的測(cè)試數(shù)據(jù)和輸入、輸出波形是否滿足設(shè)計(jì)要求。(7)用電路仿真設(shè)計(jì)軟件(如Multisim等)設(shè)計(jì)仿真壓控函數(shù)發(fā)生器，將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，說明實(shí)驗(yàn)電路有哪些不足， 需要怎樣改進(jìn)。(8)詳細(xì)分析在電路設(shè)計(jì)過程中遇到的問題，總結(jié)并分享電路設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。2.注意事項(xiàng)(1)選擇集成運(yùn)算放大器時(shí)，

3、應(yīng)考慮單位增益帶寬是否滿足系統(tǒng)輸出頻率的設(shè)計(jì)要求。(2)系統(tǒng)信號(hào)的頻率與多個(gè)電路參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)綜合考慮各參數(shù)之間的關(guān)系。(3) 搭接實(shí)驗(yàn)電路南，應(yīng)先切電源對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行合理的布局。布局布線應(yīng)遵循“走線最短”原則。通常應(yīng)按信號(hào)的傳遞順序逐級(jí)進(jìn)行布局布線。帶電作業(yè)容易損壞電子元器件并引起電路故障。(4) 搭接實(shí)驗(yàn)電路時(shí)，應(yīng)盡量堅(jiān)持少用導(dǎo)線、用短導(dǎo)線，盲目使用導(dǎo)線會(huì)引入不必要的寄生參量，使實(shí)際設(shè)計(jì)出來的電路參數(shù)發(fā)生偏離，并增加電路出錯(cuò)的概率。模擬電于技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)(5)系統(tǒng)電路安裝完畢后，不要急于通電，應(yīng)仔細(xì)檢查元器件引腳有無接錯(cuò)，測(cè)量電源與地之間的阻抗，如果發(fā)現(xiàn)存在阻抗過小等問題，應(yīng)

4、及時(shí)糾錯(cuò)后方可通電。(6) 接通電源時(shí)，應(yīng)注意觀察電路有無異?，F(xiàn)象，如元器件發(fā)熱、異味、冒煙等。如果發(fā)現(xiàn)有異?，F(xiàn)象出現(xiàn)，應(yīng)立即切斷電源，待故障排除后方可通電。(7)檢測(cè)電路功能時(shí)，應(yīng)首先測(cè)試各單元電路靜態(tài)工作點(diǎn)是否正常，待各單元電路靜態(tài)。工作點(diǎn)調(diào)試正確無誤后，方可加入交流信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功能測(cè)試。(8)檢驗(yàn)電路動(dòng)態(tài)功能時(shí)，應(yīng)順著交流信號(hào)的流向用示波器逐級(jí)觀察輸入、輸出波形。 3.設(shè)計(jì)指標(biāo)(1)輸出信號(hào)頻率在5OHz 10kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 (2)輸出信號(hào)峰值電壓在20mV10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 (3)輸出波形特性: 對(duì)于1kHz的方波，最大幅度輸出時(shí)，信號(hào)的上升時(shí)間tr<2Ous； 三角

5、波的失真系數(shù)y<2%; 正弦波的失真系數(shù)y<5%。4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖函數(shù)發(fā)生器，也稱為信號(hào)發(fā)生器或波形發(fā)生器，主要用來產(chǎn)生特定的時(shí)間函數(shù)，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波、矩形波等。 在圖1所示的壓控函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖中，直流電壓產(chǎn)生電路將供電電源變成直流電壓信號(hào)Vo1輸出。Vo1經(jīng)電壓跟隨器、極性變換電路后，輸出方波信號(hào)Vo3給積分器。積分器將方波輸人信號(hào)Vo3轉(zhuǎn)換成同頻率的三角被信號(hào)Vo4，輸出給遲滯比較器、正弦波產(chǎn)生電路和線性放大電路。三角波Vo4經(jīng)遲滯比較器變成同頻率的方波信號(hào)Vo5。 方波信號(hào)Vo5經(jīng)單極性控制電路產(chǎn)生同頻率的反饋控制信號(hào)Vo6,反饋控制信號(hào)Vo6控制極性

6、變換電路產(chǎn)生同頻率的方波信號(hào)Vo3。遲滯比較器輸出的方波信號(hào)Vo5經(jīng)雙向鉗位電路處理成正、負(fù)幅值對(duì)稱的方波信號(hào)Vo7。三角波Vo4經(jīng)正弦波產(chǎn)生電路變換成正弦波信號(hào)Vo8。信號(hào)Vo4、Vo7、Vo8分別復(fù)用增益連續(xù)可調(diào)線性放大電路，分時(shí)輸出特定波形Vo。圖1：在圖1中，極性變換電路、線性積分器、遲滯比較器、單極性控制電路一起構(gòu)成壓控振蕩器。系統(tǒng)信號(hào)的頻率受直流輸入電壓信號(hào)Vol (Vo2)控制。通過調(diào)節(jié)直流輸入信號(hào)Vol的幅值可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)信號(hào)的輸出頻率。5設(shè)計(jì)分析設(shè)計(jì)壓控函數(shù)發(fā)生器時(shí)，首先應(yīng)設(shè)計(jì)直流控制電壓信號(hào)產(chǎn)生電路，然后設(shè)計(jì)極性變換電路，將直流控制電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成方被信號(hào)輸出，方波信號(hào)經(jīng)線性積

7、分器處理后可以變成三角被信號(hào)輸出，三角波經(jīng)差分放大電路或?yàn)V波電路后可以轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)輸出。5.1直流壓產(chǎn)生電路如圖2所示，直流電壓產(chǎn)生電路可以采用電阻分壓的方式實(shí)現(xiàn)。但由于電阻分壓方式產(chǎn)生的直流電壓信號(hào)受其輸出端負(fù)載的變化影響較大，因此，需要在電阻分壓電路的輸出端加級(jí)電壓跟隨器，以消除因負(fù)載變化對(duì)直流輸出電壓Vo1產(chǎn)生的影響?？紤]到阻抗匹配問題，直流電壓信號(hào)Vo1 不能直接輸出給下一一級(jí)電路使用，需要在電位器的可調(diào)端加一級(jí)電壓跟隨器做電壓緩沖，輸出 一個(gè)與Vo1相同的可調(diào)電壓信號(hào)Vo2 。輸出電壓Vo1為： Vo2= Vo1=Vcc/(R1+Rw1)*Rw1b式中，Rw1=Rw1a+Rw1b

8、。 運(yùn)算放大器組成電壓跟隨器作為緩沖級(jí)，根據(jù)其輸入阻抗大輸出阻抗小的特點(diǎn)，使信號(hào)可以接近無衰減的傳輸?shù)较乱灰患?jí)。 同時(shí)，為了保證接近于“0”的小信號(hào)可以被不失真地傳遞到下一一級(jí)電路，電壓跟隨器應(yīng)采用雙電源供電方式工作。圖2：5.2極性變換電路極性變換電路的作用是：在控制信號(hào)Vo6的作用下，將前級(jí)產(chǎn)生直流控制電壓信號(hào)Vo2轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)Vo3,輸出給下一級(jí)電路使用。 電路如圖3所示，其基本電路是用集成運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的算數(shù)運(yùn)算電路。其中三極管VT1作為電子開關(guān)，尤其基極控制信號(hào)V06來控制極性變換電路輸出電壓信號(hào)的極性。圖3：在圖3所示的極性變換電路中，應(yīng)先確定反饋電阻的阻值?？紤]到阻抗匹配、相對(duì)

9、誤差等問題，R4不宜選擇阻值過小的電阻使用。R3應(yīng)該選用與R4阻值相等的電阻。R2的電阻值可以根據(jù)靜態(tài)平衡原則通過計(jì)算得到。三極管VT1應(yīng)選用超低飽和導(dǎo)通壓降的快速開關(guān)管，否則將對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率范圍產(chǎn)生影響。電阻R5可以根據(jù)控制電壓的幅值及三極管VT1的發(fā)射結(jié)壓降選取。當(dāng)電阻R4=R3時(shí)，極性控制電壓Vo6可以控制極性變換電路輸出電壓的極性，即當(dāng)控制電壓Vos為低電平時(shí)，Vo3=Vo2；當(dāng)控制電壓Vo6為高電平時(shí)，Vo3=-Vo2。5.3三角波產(chǎn)生電路最常用的三角波產(chǎn)生電路是線性積分器，如圖4所示。在積分器的反相輸入端加一個(gè)方波輸入信號(hào)Vo3。正半周期間，方波信號(hào)Vo3相當(dāng)于正向直流電壓，

10、正向電壓通過電阻R1對(duì)積分電容C1進(jìn)行充電；負(fù)半周期間，方波信號(hào)Vo3 相當(dāng)于負(fù)向直流電壓，負(fù)向電壓導(dǎo)致的電勢(shì)差使存儲(chǔ)在積分電容兩端的電荷通過電阻R1進(jìn)行放電。圖4：在圖4所示的三角波產(chǎn)生電路中，當(dāng)方波輸入信號(hào)Vo3為正向電壓信號(hào)時(shí)，輸入電流經(jīng)電阻R1對(duì)電容C1進(jìn)行充電；當(dāng)方波輸入信號(hào)Vo3 變?yōu)樨?fù)向電壓信號(hào)時(shí)，由于存在電勢(shì)差，存儲(chǔ)在電容C1兩端的電荷通過電阻R1進(jìn)行放電。輸出電壓Vo4和輸入電壓Vo3之間應(yīng)滿足:Vo4=-1/R1*C1*Vo3dt在設(shè)定的半個(gè)周期內(nèi)，方波信號(hào)為直流信號(hào)，Vo3為定值，則 Vo4=-Vo3/R1*C1*t由上式可知，三角波與方波的相位相反。5.4反饋控制信號(hào)產(chǎn)

11、生電路和方波產(chǎn)生電路方波的產(chǎn)生方法比較多，比如用55芯片構(gòu)成多諧振蕩器、用單片機(jī)或FPGA設(shè)計(jì)出方波產(chǎn)生電路、用削波電路對(duì)交流電(正弦波)削波、用集成運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器再接上穩(wěn)壓電路輸出方波等方法。此處我采用集成運(yùn)放構(gòu)成遲滯比較器的方法來設(shè)計(jì)方波產(chǎn)生電路。用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)的遲滯比較器只有兩種輸出狀態(tài):正向飽和或負(fù)向飽和。在遲滯比較器的輸入端引入一個(gè)周期變化的信號(hào)(比如三角波),如果設(shè)置的門J限電壓能夠滿足遲滯比較器輸出電壓翻轉(zhuǎn)條件，則在遲滯比較器的輸出端就可以得到一個(gè)方波信號(hào)。下圖5中即為用反相輸入遲滯比較器設(shè)計(jì)的反饋控制信號(hào)產(chǎn)生電路和方波產(chǎn)生電路。圖 5：在圖5所示的電路中，輸入信號(hào)Vo4是積

12、分器輸出的三角波信號(hào)，輸出信號(hào)有三個(gè):Vo5、Vo6和Vo7。其中，Vo5是遲滯比較器輸出的電壓信號(hào)。因多數(shù)集成運(yùn)算放大器輸出電壓的正向飽和電壓值與負(fù)向飽和電壓值的絕對(duì)值并不相等，因此，多數(shù)情況下，在遲滯比較器輸出端測(cè)到的是一個(gè)正、負(fù)電壓的絕對(duì)值不相等的方波信號(hào)。Vo6是遲滯比較器的輸出電壓Vo5經(jīng)二極管VDI單向處理后的反饋控制信號(hào)。二極管的單向?qū)щ娦允狗答伩刂菩盘?hào)Vo6是一個(gè)沒有負(fù)向電壓的方波信號(hào)。電阻R4既是二極管VD1的限流保護(hù)電阻，也是得到反饋控制信號(hào)Vo6的負(fù)載電阻，其電阻值應(yīng)根據(jù)遲滯比較器的輸出電壓V5和二極管VD1的工作電流計(jì)算選取。二極管VD1應(yīng)選用高速二極管，如IN4148

13、、IN581等。如果二極管VDI選用不當(dāng)，比如選用了整流二極管1N4001等，則在輸出波形Vo5上可以測(cè)到明顯的反向恢復(fù)脈沖。Vo7是方波輸出信號(hào)，如圖5中的雙向鉗位電路。該信號(hào)是在雙向穩(wěn)壓管2DW232上獲得，因此具有良好的對(duì)稱性。如果系統(tǒng)輸出的方波信號(hào)在極性變換電路的輸出端獲得，產(chǎn)生Vo7的支路也可以省略。電阻R5是雙向穩(wěn)壓管2DW232的限流保護(hù)用電阻，其電阻值應(yīng)根據(jù)遲滯比較器的輸出電壓Vo5和雙向穩(wěn)壓管2DW232的工作電流計(jì)算選取。5.5增益連續(xù)可調(diào)電壓放大電路按照設(shè)計(jì)要求，如果想得到峰值電壓在20mV10V范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的輸出信號(hào)，在系統(tǒng)電路中，還必須增加一-級(jí)增益連續(xù)可調(diào)的線性放大電路，如圖6所示。圖6：在圖6所示的電路中，電阻R2是平衡電阻。調(diào)節(jié)電位器Rw1可調(diào)端的位置，在輸出端可以得到一個(gè)與輸入信號(hào)同波形、同頻率，且輸出幅度連續(xù)可調(diào)的輸出信號(hào)。圖中加了一級(jí)電壓跟隨器用以滿足負(fù)載匹配要求。輸出電壓Vo為:Vo=-Rw1/R1*Vin(其中，Vin為Vo4或Vo7或Vo8)將前面各級(jí)電路產(chǎn)生的輸出波形分別送至增益可調(diào)放大電路。6.壓控函數(shù)發(fā)生器電路原理圖 壓控函數(shù)發(fā)生器