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函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
2013-03-04
設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)發(fā)生器使得能夠產(chǎn)生發(fā)波、三角波、正弦波。
1、主要技術(shù)指標(biāo)
頻率范圍 10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz
頻率控制方式 通過(guò)改變RC時(shí)間常數(shù)手控信號(hào)頻率
通過(guò)改變控制電壓Uc實(shí)現(xiàn)壓控頻率VCF
輸出電壓 正弦波Upp≈3 V 幅度連續(xù)可調(diào);
三角波Upp≈5 V 幅度連續(xù)可調(diào);
方波Upp≈14 V 幅度連續(xù)可調(diào).
波形特性 方波上升時(shí)間小于2s；
三角波非線性失真小于1%；
正弦波諧波失真小于3%。
2、設(shè)計(jì)要求
（1） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實(shí)驗(yàn)室條件自選方案設(shè)計(jì)出原理電路圖，分析工作原理，計(jì)算元件參數(shù)。
（2） 列出所有元、器件清單報(bào)實(shí)驗(yàn)室備件。
（3） 安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
（4） 記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1.2基本原理1、函數(shù)發(fā)生器的組成
函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。
1.3提出解決問(wèn)題的方案及選取1、三角波變換成正弦波
由運(yùn)算放大器單路及分立元件構(gòu)成，方波——三角波——正弦波函數(shù)發(fā)生器電路組成如圖1所示，由于技術(shù)難點(diǎn)在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細(xì)介紹三角波到正弦波的變換。
方案二：用二極管折線近似電路以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器
（3）圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當(dāng)8腳與一連續(xù)可調(diào)的直流電壓相連時(shí)，輸出頻率亦連續(xù)可調(diào)。當(dāng)此電壓為最小值（近似為0）時(shí)。輸出頻率最低，當(dāng)電壓為最大值時(shí)，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用范圍是0—3V。由于5G8038本身的線性度僅在掃描頻率范圍10：1時(shí)為0.2%，更大范圍（如1000：1）時(shí)線性度隨之變壞，所以控制電壓經(jīng)μA741后再送入5G8038的8腳，這樣會(huì)有效地改善壓控線性度（優(yōu)于1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時(shí)輸出頻率可由下式?jīng)Q定：
f=0.3/RC4
設(shè)函數(shù)發(fā)生器最高工作頻率為2kHz，定時(shí)電容C4可由上式求得。
電路中RP3是用來(lái)調(diào)整高頻端波形的對(duì)稱(chēng)性，而RP2是用來(lái)調(diào)整低頻端波形的對(duì)稱(chēng)性，調(diào)整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩(wěn)壓管VDz是為了避免8腳上的負(fù)壓過(guò)大而使5G8038工作失常設(shè)置的。
根據(jù)KSP2222A的靜態(tài)特性曲線，選取靜態(tài)
工作區(qū)的中心
由直流通路有：
20 k
因?yàn)殪o態(tài)工作點(diǎn)已經(jīng)確定，所以靜態(tài)電流變成已知。根據(jù)KVL方程可計(jì)算出鏡像電流源中各個(gè)電阻值的大?。?br />
可得
以上頻率并未完全到達(dá)要求的指標(biāo)范圍，經(jīng)分析，原因在于：
通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)頻率范圍整體下移，這里可能存在兩個(gè)原因，第一是反饋通道上的 存在磨損，使電阻值達(dá)不到計(jì)算的數(shù)值。第二是三角波運(yùn)放上的反向端的電阻 也存在 一樣的問(wèn)題。
（2）輸出電壓：
① 方波：
電路板上方波信號(hào)接入示波器，調(diào)節(jié)RP1,測(cè)得方波峰峰Vpp=14V，可見(jiàn)所得值與性能指標(biāo)中的一致。
② 三角波：
撤除方波信號(hào)并接入三角波信號(hào)，調(diào)節(jié)RP1, 測(cè)得三角波峰峰值Upp=5V也能達(dá)到課題的要求。
③ 正弦波：
將正弦波信號(hào)接入示波器，調(diào)節(jié)RP3和RP4,測(cè)得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達(dá)課題要求。
3、波形特性測(cè)定:
① 方波上升時(shí)間:
將電路板上的方波信號(hào)接入示波器,,調(diào)節(jié)示波器上周期調(diào)節(jié)旋鈕,直到能清楚觀測(cè)到方波信號(hào)上升沿處的躍變,測(cè)得方波上升時(shí)間為:
tr=6.4µs
分析：上升時(shí)間達(dá)不到要求，這個(gè)可以用換運(yùn)放類(lèi)型來(lái)解決。通過(guò)改變運(yùn)放的速度來(lái)改變其上升時(shí)間。
① 三角波非線形失真:
撤除方波信號(hào),將電路板上三角波信號(hào)接入示波器通道1,測(cè)得此時(shí)的三角波信號(hào)參數(shù)如下:
頻率: f=98.42Hz
峰峰值: Upp=5V
此時(shí)將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入示波器的通道2,并調(diào)節(jié)其頻率及峰峰值,使之與要測(cè)試的三角波信號(hào)參數(shù)一致(f=98.42Hz,Upp=5V).
在示波器上的雙蹤模式下比較,發(fā)現(xiàn)兩通道的三角波完全重合,說(shuō)明無(wú)非線形失真.
② 正弦波嚴(yán)重失真:
分析：由于調(diào)節(jié)平衡的滑動(dòng)變阻器的一只引腳壞掉了，我自己拿一根導(dǎo)線將其接好，所以導(dǎo)致電路的不對(duì)成性，使得靜態(tài)工作點(diǎn)偏離原定的位置，故導(dǎo)致此結(jié)果。
來(lái)源：示波器 http://www.91zenqing.cn/
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