压控函数发生器

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1、 模拟电子技术课程设计 课程名称： 压控函数发生器 班 级： 学号： 姓名： 指引教师： 1. 设计规定(1)设计一种至少可以输出方波、三角波、正弦波这三种波形的压控函数发生器。(2)根据设计指标和设计规定，具体分析各单元电路的设计过程，逐级设计各单元电路，画出单元电路原理图，分析重要元器件的选择根据。(3)设计各单元电路的实现、调试、测试方案和实验数据登记表格，完毕单元电路测试，分析各单元电路的测试数据和输入、输出波形与否满足设计规定。(4)根据前面的设计分析，画出系统设计框图或系统设计流程图。(5)根据系统设计框图逐级级联各单元电路，每增长一级电路， 必须先测试并检查级联后的电路与否满足设

2、计规定。如果级联后的电路可以满足设计规定，方可继续级联下一级电路;如果级联后的电路不能满足设计规定，则必须先定位问题所在点，完毕纠错后方可继续级联下一级电路。否则，一旦系統电路浮现故障，将很难排查。(6) 设计系统电路的测试方案和实验数据登记表格，测试系统电路的实验数据和输入、输出波形，具体分析系统电路的测试数据和输入、输出波形与否满足设计规定。(7)用电路仿真设计软件(如Multisim等)设计仿真压控函数发生器，将仿真成果与实验成果进行对比分析，阐明实验电路有哪些局限性， 需要如何改善。(8)具体分析在电路设计过程中遇到的问题，总结并分享电路设计经验。2.注意事项(1)选择集成运算放大器时

3、，应考虑单位增益带宽与否满足系统输出频率的设计规定。(2)系统信号的频率与多种电路参数有关，设计电路时，应综合考虑各参数之间的关系。(3) 搭接实验电路南，应先切电源对系统电路进行合理的布局。布局布线应遵循“走线最短”原则。一般应按信号的传递顺序逐级进行布局布线。带电作业容易损坏电子元器件并引起电路故障。(4) 搭接实验电路时，应尽量坚持少用导线、用短导线，盲目使用导线会引入不必要的寄生参量，使实际设计出来的电路参数发生偏离，并增长电路出错的概率。模拟电于技术实验与课程设计(5)系统电路安装完毕后，不要急于通电，应仔细检查元器件引脚有无接错，测量电源与地之间的阻抗，如果发现存在阻抗过小等问题，

4、应及时纠错后方可通电。(6) 接通电源时，应注意观测电路有无异常现象，如元器件发热、异味、冒烟等。如果发既有异常现象浮现，应立即切断电源，待故障排除后方可通电。(7)检测电路功能时，应一方面测试各单元电路静态工作点与否正常，待各单元电路静态。工作点调试对的无误后，方可加入交流信号进行动态功能测试。(8)检查电路动态功能时，应顺着交流信号的流向用示波器逐级观测输入、输出波形。 3.设计指标(1)输出信号频率在5OHz 10kHz范畴内持续可调。 (2)输出信号峰值电压在20mV10V范畴内持续可调。 (3)输出波形特性: 对于1kHz的方波，最大幅度输出时，信号的上升时间tr2Ous； 三角波的

5、失真系数y2%; 正弦波的失真系数y5%。4.系统设计框图函数发生器，也称为信号发生器或波形发生器，重要用来产生特定的时间函数，如正弦波、方波、三角波、锯齿波、矩形波等。 在图1所示的压控函数发生器系统设计框图中，直流电压产生电路将供电电源变成直流电压信号Vo1输出。Vo1经电压跟随器、极性变换电路后，输出方波信号Vo3给积分器。积分器将方波输人信号Vo3转换成同频率的三角被信号Vo4，输出给迟滞比较器、正弦波产生电路和线性放大电路。三角波Vo4经迟滞比较器变成同频率的方波信号Vo5。 方波信号Vo5经单极性控制电路产生同频率的反馈控制信号Vo6,反馈控制信号Vo6控制极性变换电路产生同频率的

6、方波信号Vo3。迟滞比较器输出的方波信号Vo5经双向钳位电路解决成正、负幅值对称的方波信号Vo7。三角波Vo4经正弦波产生电路变换成正弦波信号Vo8。信号Vo4、Vo7、Vo8分别复用增益持续可调线性放大电路，分时输出特定波形Vo。图1：在图1中，极性变换电路、线性积分器、迟滞比较器、单极性控制电路一起构成压控振荡器。系统信号的频率受直流输入电压信号Vol (Vo2)控制。通过调节直流输入信号Vol的幅值可以调节系统信号的输出频率。5设计分析设计压控函数发生器时，一方面应设计直流控制电压信号产生电路，然后设计极性变换电路，将直流控制电压信号转换成方被信号输出，方波信号经线性积分器解决后可以变成

7、三角被信号输出，三角波经差分放大电路或滤波电路后可以转换成正弦波信号输出。5.1直流压产生电路如图2所示，直流电压产生电路可以采用电阻分压的方式实现。但由于电阻分压方式产生的直流电压信号受其输出端负载的变化影响较大，因此，需要在电阻分压电路的输出端加级电压跟随器，以消除因负载变化对直流输出电压Vo1产生的影响。考虑到阻抗匹配问题，直流电压信号Vo1 不能直接输出给下一一级电路使用，需要在电位器的可调端加一级电压跟随器做电压缓冲，输出 一种与Vo1相似的可调电压信号Vo2 。输出电压Vo1为： Vo2= Vo1=Vcc/(R1+Rw1)*Rw1b式中，Rw1=Rw1a+Rw1b。 运算放大器构成

8、电压跟随器作为缓冲级，根据其输入阻抗大输出阻抗小的特点，使信号可以接近无衰减的传播到下一一级。 同步，为了保证接近于“0”的小信号可以被不失真地传递到下一一级电路，电压跟随器应采用双电源供电方式工作。图2：5.2极性变换电路极性变换电路的作用是：在控制信号Vo6的作用下，将前级产生直流控制电压信号Vo2转换成方波信号Vo3,输出给下一级电路使用。 电路如图3所示，其基本电路是用集成运算放大器设计的算数运算电路。其中三极管VT1作为电子开关，特别基极控制信号V06来控制极性变换电路输出电压信号的极性。图3：在图3所示的极性变换电路中，应先拟定反馈电阻的阻值。考虑到阻抗匹配、相对误差等问题，R4不

9、适宜选择阻值过小的电阻使用。R3应当选用与R4阻值相等的电阻。R2的电阻值可以根据静态平衡原则通过计算得到。三极管VT1应选用超低饱和导通压降的迅速开关管，否则将对系统输出信号的频率范畴产生影响。电阻R5可以根据控制电压的幅值及三极管VT1的发射结压降选用。当电阻R4=R3时，极性控制电压Vo6可以控制极性变换电路输出电压的极性，即当控制电压Vos为低电平时，Vo3=Vo2；当控制电压Vo6为高电平时，Vo3=-Vo2。5.3三角波产生电路最常用的三角波产生电路是线性积分器，如图4所示。在积分器的反相输入端加一种方波输入信号Vo3。正半周期间，方波信号Vo3相称于正向直流电压，正向电压通过电阻

10、R1对积分电容C1进行充电；负半周期间，方波信号Vo3 相称于负向直流电压，负向电压导致的电势差使存储在积分电容两端的电荷通过电阻R1进行放电。图4：在图4所示的三角波产生电路中，当方波输入信号Vo3为正向电压信号时，输入电流经电阻R1对电容C1进行充电；当方波输入信号Vo3 变为负向电压信号时，由于存在电势差，存储在电容C1两端的电荷通过电阻R1进行放电。输出电压Vo4和输入电压Vo3之间应满足:Vo4=-1/R1*C1*Vo3dt在设定的半个周期内，方波信号为直流信号，Vo3为定值，则 Vo4=-Vo3/R1*C1*t由上式可知，三角波与方波的相位相反。5.4反馈控制信号产生电路和方波产生

11、电路方波的产生措施比较多，例如用55芯片构成多谐振荡器、用单片机或FPGA设计出方波产生电路、用削波电路对交流电(正弦波)削波、用集成运放构成迟滞比较器再接上稳压电路输出方波等措施。此处我采用集成运放构成迟滞比较器的措施来设计方波产生电路。用集成运放设计的迟滞比较器只有两种输出状态:正向饱和或负向饱和。在迟滞比较器的输入端引入一种周期变化的信号(例如三角波),如果设立的门J限电压可以满足迟滞比较器输出电压翻转条件，则在迟滞比较器的输出端就可以得到一种方波信号。下图5中即为用反相输入迟滞比较器设计的反馈控制信号产生电路和方波产生电路。图 5：在图5所示的电路中，输入信号Vo4是积分器输出的三角波

12、信号，输出信号有三个:Vo5、Vo6和Vo7。其中，Vo5是迟滞比较器输出的电压信号。因多数集成运算放大器输出电压的正向饱和电压值与负向饱和电压值的绝对值并不相等，因此，多数状况下，在迟滞比较器输出端测到的是一种正、负电压的绝对值不相等的方波信号。Vo6是迟滞比较器的输出电压Vo5经二极管VDI单向解决后的反馈控制信号。二极管的单向导电性使反馈控制信号Vo6是一种没有负向电压的方波信号。电阻R4既是二极管VD1的限流保护电阻，也是得到反馈控制信号Vo6的负载电阻，其电阻值应根据迟滞比较器的输出电压V5和二极管VD1的工作电流计算选用。二极管VD1应选用高速二极管，如IN4148、IN581等。

13、如果二极管VDI选用不当，例如选用了整流二极管1N4001等，则在输出波形Vo5上可以测到明显的反向恢复脉冲。Vo7是方波输出信号，如图5中的双向钳位电路。该信号是在双向稳压管2DW232上获得，因此具有良好的对称性。如果系统输出的方波信号在极性变换电路的输出端获得，产生Vo7的支路也可以省略。电阻R5是双向稳压管2DW232的限流保护用电阻，其电阻值应根据迟滞比较器的输出电压Vo5和双向稳压管2DW232的工作电流计算选用。5.5增益持续可调电压放大电路按照设计规定，如果想得到峰值电压在20mV10V范畴内持续可调的输出信号，在系统电路中，还必须增长一-级增益持续可调的线性放大电路，如图6所

14、示。图6：在图6所示的电路中，电阻R2是平衡电阻。调节电位器Rw1可调端的位置，在输出端可以得到一种与输入信号同波形、同频率，且输出幅度持续可调的输出信号。图中加了一级电压跟随器用以满足负载匹配规定。输出电压Vo为:Vo=-Rw1/R1*Vin(其中，Vin为Vo4或Vo7或Vo8)将前面各级电路产生的输出波形分别送至增益可调放大电路。6.压控函数发生器电路原理图 压控函数发生器设计波及诸多工程实际问题，例如，在极性控制信号Vo6产生电路中，如果开关管VT1选择得不合适，当极性控制信号Vo6为高电平时，开关管的饱和导通压降Vt不为零。在低频状况下，饱和导通压降Vt会使极性变换电路输出的方波信号Vo3的正半周和负半周时间明显不对称。图7所示为改善后的极性控制信号产生电路。图8所示为压控函数发生器电路原理图。在系统电路设计过程中，应特别注意元器件参数选择、级间匹配、信号动态范畴等工程实际问题。图7：图8：