函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計_第1頁
函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計_第2頁
函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計_第3頁
函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計_第4頁
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文檔簡介

1、1 1)同時輸出三種波形:方波、三角波、正弦波)同時輸出三種波形:方波、三角波、正弦波1 1、設(shè)計內(nèi)容:設(shè)計一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器、設(shè)計內(nèi)容:設(shè)計一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器2 2、性能與技術(shù)指標(biāo)、性能與技術(shù)指標(biāo)2 2)頻率范圍:)頻率范圍:10Hz 10Hz 10KHz10KHz連續(xù)可調(diào)連續(xù)可調(diào). .3 3)方波幅值)方波幅值10V10V。一、設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計任務(wù)書4 4)正弦波幅值)正弦波幅值10V10V,失真度小于,失真度小于1.5%1.5%。5 5)三角波幅值)三角波幅值20V20V;各種輸出波形幅值均;各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)。連續(xù)可調(diào)。低頻函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計振蕩部分振蕩部分輸出電路

2、輸出電路輸出輸出頻率調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)頻率指示頻率指示幅度指示幅度指示函數(shù)信號發(fā)生器的原理框圖函數(shù)信號發(fā)生器的原理框圖 信號產(chǎn)生部分的多種實現(xiàn)方案信號產(chǎn)生部分的多種實現(xiàn)方案 模擬電路實現(xiàn)方案 數(shù)字電路實現(xiàn)方案 模數(shù)結(jié)合的實現(xiàn)方案數(shù)字電路的實現(xiàn)方案,一般可事先在存儲數(shù)字電路的實現(xiàn)方案,一般可事先在存儲器里存儲好函數(shù)信號波形,再用器里存儲好函數(shù)信號波形,再用D/A轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換器進行逐點恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函逐點恢復(fù)。這種方案的波形精度主要取決于函數(shù)信號波形的存儲點數(shù)、數(shù)信號波形的存儲點數(shù)、D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度、以及整個電路的時序處理等。其信號頻率的高以

3、及整個電路的時序處理等。其信號頻率的高低,是通過改變低,是通過改變D/A轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的速率來轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)字量的速率來實現(xiàn)的。這種方案在信號頻率較低時,具有較實現(xiàn)的。這種方案在信號頻率較低時,具有較好的波形質(zhì)量。隨著信號頻率的提高,需要提高好的波形質(zhì)量。隨著信號頻率的提高,需要提高數(shù)字量輸入的速率,或減少波形點數(shù)。波形點數(shù)數(shù)字量輸入的速率,或減少波形點數(shù)。波形點數(shù)的減少,將直接影響函數(shù)信號波形的質(zhì)量,而數(shù)的減少,將直接影響函數(shù)信號波形的質(zhì)量,而數(shù)字量輸入速率的提高也是有限的。因此,該方案字量輸入速率的提高也是有限的。因此,該方案比較適合低頻信號,而較難產(chǎn)生高頻信號(如比較適合低頻信號,而較難

4、產(chǎn)生高頻信號(如 1MHz)。)。模數(shù)結(jié)合的實現(xiàn)方案,一般是用模擬電路產(chǎn)模數(shù)結(jié)合的實現(xiàn)方案,一般是用模擬電路產(chǎn)生函數(shù)信號波形,而用數(shù)字方式改變信號的頻率生函數(shù)信號波形,而用數(shù)字方式改變信號的頻率和幅度。如采用和幅度。如采用D/A轉(zhuǎn)換器與壓控電路改變信號轉(zhuǎn)換器與壓控電路改變信號的頻率,用數(shù)控放大器或數(shù)控衰減器改變信號的的頻率,用數(shù)控放大器或數(shù)控衰減器改變信號的幅度等,是一種常見的電路方式。幅度等,是一種常見的電路方式。 模擬電路的實現(xiàn)方案,是指全部采用模擬電模擬電路的實現(xiàn)方案,是指全部采用模擬電路的方式,以實現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的所有功能。由路的方式,以實現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的所有功能。由于教學(xué)安排及課程進

5、度的限制,本實驗的信號產(chǎn)于教學(xué)安排及課程進度的限制,本實驗的信號產(chǎn)生電路,推薦采用全模擬電路的實現(xiàn)方案。生電路,推薦采用全模擬電路的實現(xiàn)方案。 模擬電路實現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的多種方式模擬電路實現(xiàn)信號產(chǎn)生電路的多種方式方案一方案一 正弦波正弦波uo1方波方波uo22121RRCfo:調(diào)頻振蕩器3267415U1UA74132%RVB10kC10.1uC20.1u-12v12vu1OP9%RV1D11N4007D21N4007R1R310kR23k單元電路單元電路方案二方案二 用遲滯用遲滯比較器比較器與與反相積分器反相積分器首尾相串聯(lián)構(gòu)成首尾相串聯(lián)構(gòu)成方波方波- -三角波三角波產(chǎn)生產(chǎn)生電路,然后,采用

6、電路,然后,采用差分放大器差分放大器,作為三角波,作為三角波正弦波變換電正弦波變換電路利用差分對管的飽和與截止特性進行變換,此電路的輸出路利用差分對管的飽和與截止特性進行變換,此電路的輸出頻率就是就是頻率就是就是方波方波- -三角波三角波產(chǎn)生產(chǎn)生電路的頻率電路的頻率. .3267415U1UA7413267415U2UA741C11ufR32kuo1SW1SW-SPDTC210uuo2ABCDD11N5235BD21N5235B單元電路單元電路10kC1100uR715kR815kR56.8k12V100R93k-12vR116.8kC2100uRV3(2)V=-0.638869RV3(1)V

7、=-0.638995Q12N2926Q22N2926Q32N2926Q42N2926R430kC30.1u10kR8(2)V=6.97652R7(2)V=8.28483uo3V=-1.3461Q1(B)V=-0.00572449SW2AMFM+-ABCD單元電路單元電路設(shè)計實驗電路參數(shù)注意:采用設(shè)計實驗電路參數(shù)注意:采用RC振蕩正弦波振蕩正弦波/方波方波/三角波三角波輸出方案,輸出方案, 首先必須計算的文氏電橋振蕩頻率外,首先必須計算的文氏電橋振蕩頻率外,其次還要計算作方波三角波變換積分電路的參數(shù),使其其次還要計算作方波三角波變換積分電路的參數(shù),使其積積分分電路的電路的R3C3之積之積 正弦波

8、正弦波振蕩電路的振蕩電路的R1C1之積!否則,之積!否則,可能影響可能影響三角波三角波形的正常輸出!形的正常輸出!3267415U1UA74115%RVB10kC10.1uC20.1u-12v12v3267415U2UA74112v-12v3267415U3UA741C30.1uuo112V-12V80%RV110kABCD100%RV415kuo2uo350%RV310kR11kR310kR42kR5470R6150kR23kD11N4001D21N4001D31N5235BD41N5235BR110kSW1SW-SPDT方案三方案三正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路比較器積分器正弦波方波三角波另一種電路方式

9、是,由三角波、方波發(fā)生另一種電路方式是,由三角波、方波發(fā)生器產(chǎn)生三角波和方波信號,然后通過函數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生三角波和方波信號,然后通過函數(shù)轉(zhuǎn)換電路,將三角波信號轉(zhuǎn)換成正弦波信號,電路電路,將三角波信號轉(zhuǎn)換成正弦波信號,電路框圖如圖所示??驁D如圖所示。正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路比較器積分器正弦波方波三角波這種電路在一定的頻率范圍內(nèi),具有良好這種電路在一定的頻率范圍內(nèi),具有良好的三角波和方波信號。而正弦波信號的波形質(zhì)的三角波和方波信號。而正弦波信號的波形質(zhì)量,與函數(shù)轉(zhuǎn)換電路的形式有關(guān),這將在后面量,與函數(shù)轉(zhuǎn)換電路的形式有關(guān),這將在后面的單元電路分析中詳細(xì)介紹。的單元電路分析中詳細(xì)介紹。 該電路方式是本實驗信號產(chǎn)

10、生部分的推該電路方式是本實驗信號產(chǎn)生部分的推薦方案。薦方案。函數(shù)轉(zhuǎn)換是指:把某種函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成另函數(shù)轉(zhuǎn)換是指:把某種函數(shù)關(guān)系轉(zhuǎn)換成另一種函數(shù)關(guān)系,能完成這種轉(zhuǎn)換功能的電子電一種函數(shù)關(guān)系,能完成這種轉(zhuǎn)換功能的電子電路就稱為函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。常用的函數(shù)轉(zhuǎn)換電路,路就稱為函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。常用的函數(shù)轉(zhuǎn)換電路,如半波、全波整流電路,就是把正弦波形轉(zhuǎn)換如半波、全波整流電路,就是把正弦波形轉(zhuǎn)換成半波和全波波形的函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。本實驗需成半波和全波波形的函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。本實驗需要討論的是,把三角電壓波形轉(zhuǎn)換成正弦電壓要討論的是,把三角電壓波形轉(zhuǎn)換成正弦電壓波形的正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。波形的正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路。正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換電路

11、從轉(zhuǎn)換原理分析,有多種方法能完成這一從轉(zhuǎn)換原理分析,有多種方法能完成這一轉(zhuǎn)換功能,常用的有:轉(zhuǎn)換功能,常用的有: ttttVtvm 7sin715sin513sin31sin8)(2222濾波法的轉(zhuǎn)換原理是,把峰值為濾波法的轉(zhuǎn)換原理是,把峰值為Vm的三角的三角波用傅里葉級數(shù)展開:波用傅里葉級數(shù)展開: 濾波法濾波法 運算法運算法 折線法折線法由上式可以看出,若三角波的頻率變化范由上式可以看出,若三角波的頻率變化范圍不大,則可用低通濾波器濾去高次諧波,保圍不大,則可用低通濾波器濾去高次諧波,保留基波成份,正弦波與三角波之間具有固定的留基波成份,正弦波與三角波之間具有固定的幅度關(guān)系。但若三角波的頻率

12、變化范圍較大幅度關(guān)系。但若三角波的頻率變化范圍較大(如本實驗的頻率變化范圍是(如本實驗的頻率變化范圍是1000倍),要設(shè)倍),要設(shè)計一個對截止頻率具有跟蹤功能的低通濾波器計一個對截止頻率具有跟蹤功能的低通濾波器就相當(dāng)困難、不易實現(xiàn)。因此,就相當(dāng)困難、不易實現(xiàn)。因此,濾波法只適用濾波法只適用于頻率變化范圍很小,最好是固定頻率的應(yīng)用于頻率變化范圍很小,最好是固定頻率的應(yīng)用場合。場合。 運算法的轉(zhuǎn)換原理是,把展開成冪級數(shù)形運算法的轉(zhuǎn)換原理是,把展開成冪級數(shù)形式:式: !7!5!3sin753xxxxx由上述關(guān)系容易看出,取冪級數(shù)的前幾項由上述關(guān)系容易看出,取冪級數(shù)的前幾項(根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求),可以

13、通過對線性(根據(jù)轉(zhuǎn)換精度的要求),可以通過對線性(三角波)變化量(三角波)變化量x的運算來近似表示成的運算來近似表示成 sinx,但要求三角波的幅度但要求三角波的幅度Ra1,所以,上式又可簡化為:,所以,上式又可簡化為: VRRVVbaDO1111 取取VD=0.6V,則,則 kRVRab67378. 011(選(選670 k)。)。 對于其它區(qū)段內(nèi)各對于其它區(qū)段內(nèi)各電阻參數(shù)的計算,同理電阻參數(shù)的計算,同理可以進行計算和選取??梢赃M行計算和選取。vivoRa2=9.13 k(選選9.1 k), Rb2=72.22 k(選選75 k); Ra3=1.88 k(選選1.8 k), Rb3=10.9

14、7 k(選選10 k). 二極管網(wǎng)絡(luò)二極管網(wǎng)絡(luò):逐段校正。逐段校正。運放運放:電壓跟:電壓跟隨器,作為隔隨器,作為隔離,稱為緩沖離,稱為緩沖級。級。三極管三極管:電壓:電壓跟隨器,提供跟隨器,提供參考電平。參考電平。 正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換方案2在輸入信號的正半周內(nèi),應(yīng)由在輸入信號的正半周內(nèi),應(yīng)由D1D3實現(xiàn)逐段校正;在輸入信號的負(fù)實現(xiàn)逐段校正;在輸入信號的負(fù)半周內(nèi),應(yīng)由半周內(nèi),應(yīng)由D4D6實現(xiàn)逐段校正。實現(xiàn)逐段校正。 設(shè)硅二極設(shè)硅二極管的開啟電壓管的開啟電壓為為0.5V,所以,所以各二極管的動各二極管的動作電平作電平V1 V3應(yīng)設(shè)置為:應(yīng)設(shè)置為:vivoV88. 05 . 038. 15 . 011

15、OVVV99. 15 . 049. 25 . 022 OVVV59. 25 . 009. 35 . 033 OVVvivo 在在0T/14區(qū)段內(nèi)區(qū)段內(nèi)D1D6均不導(dǎo)通,均不導(dǎo)通,所以所以vo=vi。 在在T/14T/7區(qū)段內(nèi)區(qū)段內(nèi)僅有僅有D1導(dǎo)通,導(dǎo)通,D2 D6均截止。此時,均截止。此時,545RRRvvIO 414Im54512TVRRRTVVOO 即書上的式子:即書上的式子:78. 0545 RRR若選若選R4=2.2 k,則則R5= 7.8 k。vivo 在在T/73T/14區(qū)段內(nèi)區(qū)段內(nèi)D1、D2均導(dǎo)通,均導(dǎo)通,所以有所以有65465/RRRRRvvIO 4/14Im6546523TV

16、RRRRRTVVOO 即即42. 0/65465RRRRR代入已知數(shù)據(jù)后得代入已知數(shù)據(jù)后得R6=2.01 k,取,取 R6=2 k。vivoD1 D3 均導(dǎo)通,均導(dǎo)通,輸出電壓被二極管輸出電壓被二極管D3嵌位,所以嵌位,所以vO = V3 + 0.5 V = 3.1V。(對這。(對這一段的校正與方案一段的校正與方案1不不同)。同)。 在在3T/144T/14區(qū)段內(nèi)區(qū)段內(nèi) 圖中的圖中的V1 V3 ,是通過由跟隨器組成的,是通過由跟隨器組成的電壓源,再經(jīng)分壓后得到的。因此,電壓源,再經(jīng)分壓后得到的。因此,分析和實驗結(jié)果分析和實驗結(jié)果表明,當(dāng)輸入三角波表明,當(dāng)輸入三角波在在T/2內(nèi)設(shè)置六個斷內(nèi)設(shè)置六個斷點,以進行七段校正點,以進行七段校正后,可得到正弦波的后,可得到正弦波的非線性失真度大致在非線性失真度大致在1.8 % 以內(nèi),若將斷以內(nèi),若將斷點數(shù)增加到點數(shù)增加到12個時,個時,正弦波的非線性失真正弦波的非線性失真度可在度可在0.8 % 以內(nèi)以內(nèi)(實實測值為測值為0.42 %)。vivo這里介紹的兩種有源這里介紹的兩種有源正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò),基本設(shè)正弦函數(shù)轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò),基本設(shè)計思想都是將三角波進行逐計思想都是將三角波進行逐段校正,使之輸出逼近正弦段校正,使之

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