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:10Hz~10KHz;
(3) 频率稳定性:(4) 频率控制方式:
① 改变RC时间常数;
; ② 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=1~10V); ③ 分为10Hz~100Hz,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz三段控制。
(5) 波形精度:方波上升下降沿均小于2μs,三角波线性度δ/Vom
;
(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=100Ω~1KΩ时,输出电压相对变化率ΔVO/VO
输出电流幅度连续可调,最大输出电流不小于200mA 负载RL=0Ω~90Ω时,输出电流相对变化率ΔIO/IO
最大输出功率大于1W(RL=50Ω,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:
①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。
② 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vo1≥R2/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
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。
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
图( 作为T1、T2 的基极电流,所以IO = βIA 。 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T
1、T2和T
3、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4.3μs
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