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頻率控制方式 通過改變RC時(shí)間常數(shù)手控信號頻率

通過改變控制電壓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、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。

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。

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,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。

1、利用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波的變換

波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性,波形變換過程�？梢钥闯�,傳輸特性曲線越對稱,線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度Uim應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。方案一:用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器

2、用二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波的變換

二極管折線近似電路

根據(jù)二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波的變換的原理圖,可得其輸入、輸出特性曲線如入3所示。

頻率調(diào)節(jié)部分設(shè)計(jì)時(shí),可先按三個(gè)頻率段給定三個(gè)電容值:1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再計(jì)算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對方波前后沿時(shí)間的要求,以及正弦波最高工作頻率(10kHz)的要求,在積分器、比較器、正弦波轉(zhuǎn)換器和輸出級中應(yīng)選用Sr值較大的運(yùn)放(如LF353)。為保證正弦波有較小的失真度,應(yīng)正確計(jì)算二極管網(wǎng)絡(luò)的電阻參數(shù),并注意調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度和對稱度。輸入波形中不能含有直流成分。

二、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

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是用來調(diào)整高頻端波形的對稱性,而RP2是用來調(diào)整低頻端波形的對稱性,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)壓過大而使5G8038工作失常設(shè)置的。

三、方案三:用單片集成函數(shù)發(fā)生器5G8038

可行性分析:

上面三種方案中,方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣,但是他們有共通的地方就是都要人為地搭建波形變換的電路圖。而方案三采用集成芯片使得電路大大簡化,但是由于實(shí)驗(yàn)室條件和成本的限制,我們首先拋棄的是第三種方案,因?yàn)樗�是犧牲了成本來換取的方便。其次是對方案一與方案二的比較,方案一中用的是電容和電阻運(yùn)放和三極管等電器原件,方案二是用的二極管、電阻、三極管、運(yùn)放等電器原件,所以從簡單而且便于購買的前提出發(fā)我們選擇方案一為我們最終的設(shè)計(jì)方案。

正弦波

由于我們選取差分放大電路對三角波——正弦波

進(jìn)行變換,首先要完成的工作是選定三極管,我

們選擇KSP2222A型的三極管。

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)電阻值的大小:

可得

方波部分

根據(jù)性能指標(biāo)可知

由 ,可見f與c成正比,若要得到1Hz~10Hz,C為10 。10Hz~100Hz,C為1 。

則 =7.5k ~75k ,則 =5.1k

則 =2.4k 或者 =69.9 k

∴ 取100 k

由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v,有

=

∴ =10k

則 ≈47 k , =20 k

根據(jù)方波的上升時(shí)間為兩毫秒,查詢運(yùn)算放大器的速度,可以選擇74141型號的運(yùn)放。

由此可得調(diào)整電阻:

直接采用凌陽SPCE061A作為波形發(fā)生器。波形的具體產(chǎn)生是通過兩路DAC來產(chǎn)生,凌陽SPCE061A在這方面的設(shè)計(jì)為我們提供了極大的方便,用它實(shí)現(xiàn)的好處在于,外圍電路極其簡單,另外在DAC的編程方面又提供及其便利的編程環(huán)境。外圍電路的設(shè)計(jì)包括三大部分,第一是鍵盤控制電路的設(shè)計(jì),這里采用4*4鍵盤,由IOA的低八位進(jìn)行控制,把鍵盤上的行和列分別接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7上,采用外部中斷二來中斷所顯示波形,以便進(jìn)入下一波形的編輯和輸出,在波形輸出的同時(shí)利用外部中斷一來實(shí)現(xiàn)同步的頻率調(diào)節(jié)。第二是顯示電路的設(shè)計(jì),這里為了在波形輸出依然有顯示,由于單片機(jī)的局限性這里采用通常的動(dòng)態(tài)LED顯示行不通,因?yàn)椴ㄐ屋敵鰰r(shí)要求CPU不停地為其服務(wù)而沒有空閑來為LED進(jìn)行不停更新,解決方案是采用帶數(shù)據(jù)緩存器和驅(qū)動(dòng)的LCD來提供顯示,這樣只占用八個(gè)I/O口即可完成設(shè)計(jì)要求,也可放棄適時(shí)顯示功能采用LED顯示,這里將提供兩種顯示方案。第三是濾波和電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì),濾波采用低通濾波器,濾除DAC轉(zhuǎn)換過程中形成的高頻小鋸齒波。另外由于凌陽SPCE061A單片機(jī)DAC輸出為電流輸出,為滿足達(dá)到5V的電壓輸出,外接OP07運(yùn)算放大器進(jìn)行放大,加1千歐姆電阻進(jìn)行電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是全面采用數(shù)字電路方案,因而工作穩(wěn)定可靠。利用單片機(jī)控制管理,使頻率設(shè)置和占空比調(diào)整等操作可用鍵盤輸入,十分方便.

二、調(diào)試前,將電路板接入±12伏電壓,地線與電源處公共地線連接.

折疊頻率范圍
為便于測量,將電路板上的方波信號接入示波器,并合上C1=10µF的開關(guān),斷開C2=1uF的開關(guān),然后調(diào)節(jié)RP2,并測出此時(shí)方波信號頻率的變化范圍;

斷開C1的開關(guān),合上C2的開關(guān),按照同樣的方法調(diào)節(jié)RP2并記錄方波信號頻率的變化范圍,結(jié)果如下:

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:

通過對比,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 一樣的問題。

輸出電壓

① 方波:

電路板上方波信號接入示波器,調(diào)節(jié)RP1,測得方波峰峰Vpp=14V,可見所得值與性能指標(biāo)中的一致。

② 三角波:

撤除方波信號并接入三角波信號,調(diào)節(jié)RP1, 測得三角波峰峰值Upp=5V也能達(dá)到課題的要求。

③ 正弦波:

將正弦波信號接入示波器,調(diào)節(jié)RP3和RP4,測得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達(dá)課題要求。

波形特性測定:

① 方波上升時(shí)間:

將電路板上的方波信號接入示波器,,調(diào)節(jié)示波器上周期調(diào)節(jié)旋鈕,直到能清楚觀測到方波信號上升沿處的躍變,測得方波上升時(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)放類型來解決。通過改變運(yùn)放的速度來改變其上升時(shí)間。

① 三角波非線形失真:

撤除方波信號,將電路板上三角波信號接入示波器通道1,測得此時(shí)的三角波信號參數(shù)如下:

頻率: f=98.42Hz

峰峰值: Upp=5V

此時(shí)將實(shí)驗(yàn)臺上函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波作為標(biāo)準(zhǔn)信號接入示波器的通道2,并調(diào)節(jié)其頻率及峰峰值,使之與要測試的三角波信號參數(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,說明無非線形失真.

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。