低频函数信号发生器设计实验报告.doc

实验报告课程名称： 电子系统综合设计 指导老师： 周箭 成绩： 实验名称：低频函数信号发生器（预习报告）实验类型： 同组学生姓名： 一、 课题名称低频函数信号发生器设计二、 性能指标（1） 同时输出三种波形：方波，三角波，正弦波；（2） 频率范围：10Hz10KHz；（3） 频率稳定性：；（4） 频率控制方式： 改变RC时间常数； 改变控制电压V1实现压控频率，常用于自控方式，即F=f（V1），（V1=110V）； 分为10Hz100Hz，100Hz1KHz，1KHz10KHz三段控制。（5） 波形精度：方波上升下降沿均小于2s，三角波线性度/Vom<1%，正弦波失真度；（6） 输出方式：a) 做电压源输出时输出电压幅度连续可调，最大输出电压不小于20V负载RL=1001K时，输出电压相对变化率VO/VO<1%b) 做电流源输出时输出电流幅度连续可调，最大输出电流不小于200mA负载RL=090时，输出电流相对变化率IO/IO<1%c) 做功率源输出时最大输出功率大于1W（RL=50，VO>7V有效值）具有输出过载保护功能三、 方案设计根据实验任务的要求，对信号产生部分，一般可采用多种实现方案：如模拟电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合的实现方案等。数字电路的实现方案一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。数字电路的实现方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频（如>1MHz）信号。模数结合的实现方案一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。 模拟电路的实现方案是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。模拟电路的实现方案有几种：用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。 由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，该电路方式也是本实验信号产生部分的推荐方案。这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。 四、 单元电路分析1、 三角波，方波发生器由于比较器+RC电路的输出会导致VC线性度变差，故采用另一种比较器+积分器的方式 积分器 同相滞回比较器 由积分器A1与滞回比较器A2等组成的三角波、方波发生器电路如图所示。在一般使用情况下，V+1和V-2都接地。只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V+1和V-2的大小和方向加以调整。合上电源瞬间， 假定比较器输出为低电平，vO2=VOL=-VZ。积分器作正方向积分，vO1线性上升，vp随着上升，当vp>0时，即vo1R2/R3*,比较器翻转为高电平，vO2=VOH=+VZ。积分器又开始作负方向积分，vO1线性下降，vp随着下降，当vp<0时，即vo1R2/R3*,比较器翻转为低电平，vO2=VOH=-VZ。取C三种值:0.1uF 对应10-100Hz； 0.01uF 对应100-1kHz； 0.001uF 对应1k-10kHz 。调节R23的比值可调节幅度，再调节R，可调节频率大小。2、 正弦波转换电路常用方法有使用傅里叶展开的滤波法，使用幂级数展开的运算法，和转变传输比例的折线法。但前二者由于其固有的缺陷：使用频率小，难以用电子电路实现的原因，在本实验中舍弃，而采取最普遍的折线法。折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是，根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逼近，输出近似的正弦电压波形。由于电子器件（如半导体二极管等）特性的理想性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。用折线法实现正弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。无源正弦函数转换电路，是指仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）二极管通路以改变转换网络的衰减比，输出近似的正弦电压波形。有源正弦函数转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。也是根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换电路的放大倍数，输出近似的正弦电压波形。有源正弦函数 若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即 则有 ，由此，可推断出各断点上应校正到的电平值： 方案一，使用二极管控制形成比例放大器，使得运放在不同时间段有不同的比例系数方案二，用二极管网络，实现逐段校正，运放A组成跟随器，作为函数转换器与输出负载之间的隔离（或称为缓冲级）。当输入三角波在T/2 内设置六个断点以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在1.8 % 以内， 若将断点数增加到12 个时，正弦波的非线性失真度可在0.8 %以内。3 输出级电路 根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式。 (1)电压源输出方式 电压源输出方式下，负载电阻RL通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求， 仅要求有一定的输出电压。同时，当负载变动时，还要求输出电压的变化要小，即要求输出级电路的输出电阻RO足够小。为此，必须引入电压负反馈图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V时，则VOPP =±(12 14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图12（b）所示。(2) 电流源输出方式在电流源输出方式下，负载希望得到一定的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的要求。同时，当负载变动时，还要求输出电流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻Ro。为此，需引入电流负反馈。图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V时，则VOPP =±(12 14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图（b）所示。图（a）为一次扩流电路， T1 和T2 组成互补对称输出。运放的输出电流IA中的大部分将作为T1 、T2 的基极电流，所以IO = IA 。 图（b）为二次扩流电路，用于要求负载电流IO 较大的场合。复合管T1、T2和T3、T4 组成准互补对称输出电路。 (3) 功率输出方式 在功率输出方式下，负载要求得到一定的信号功率。由于晶体管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小的负载。电路通常接成电压负反馈形式。如用运放作为前置放大级，还必须进行扩流。当RL较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必须进行输出电压扩展。 静态时，运放输出为零， 20V电源通过下列回路：运放输出端R1 DZ b1 e1 20V 向T1 提供一定的偏置电流 R6 ,C3 和R7 ,C4 组成去耦滤波电路。需要注意的是几个晶体管的耐压限流以及最大功率值。其中调节W可改变晶体管的静态工作电流，从而克服交越失真。4) 输出级的限流保护 由于功率放大器的输出电阻很小，因而容易因过载而烧坏功率管。因此需要进行限流保护。图（a）是一种简单的二极管限流保护电路，当发生过流（I o过大）时，R3 、R4 上的压降增大到足以使D3 、D4 导通，从而使流向T1 、T2 基极的电流信号I1 、I2 分流，以限制I o 的增大。图（b）是另一种限流保护电路，T3 、T4 是限流管。当I o 过大，R5 、R6 上的压降超过0.6V时，T3 、T4 导通防止了T1 、T2 基极信号电流的进一步增大。I o 的最大值为 0.6/R5，R3 、R4 用来保护限流管T3 、T4 。 五、 仿真分析以1KHz为例即C=1nF三角波方波发生电路方波下降沿时间4.3s三角波峰值改变RP2改变RP1调节占空比调节偏移量正弦波转换器三角波转换正弦波，三角波放大后输出峰峰值10V静态工作点改变静态工作点（调节RP45）发生失真功率放大电路功率放大波形，输入为之前的正弦波，变阻器衰减后最大不失真输出电压总电路图，模块形式衰减前的输入信号与输出信号由仿真结果来看，基本满足设计要求，准备按仿真电路设计实际电路。六、 仿真心得在仿真的过程中出现了一下几个问题，但后来都分别排查掉了，希望实际连接时不再犯。1、 运放未接电源导致没有波形2、 变阻器接入阻止过小或过大导致没有信号或失真（尤其需要注意）3、 Lm324故障无法解决导致用了LM353代替