信号发生器设计(附仿真)

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南昌大学实验报告

学生姓名:学号:专业班级:

实验类型:□验证□综合□设计□创新实验日期:实验成绩:

信号发生器设计

一、设计任务

设计一信号发生器,能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真。

二、设计要求

基本性能指标:(1)频率范围100Hz~1kHz;(2)输出电压:方波U p-p≤24V,三角波U

=6V,正弦波U p-p>1V。

p-p

扩展性能指标:频率范围分段设置10Hz~100Hz, 100Hz~1kHz,1kHz~10kHz;波形特性方波t r<30u s(1kHz,最大输出时),三角波r△<2%,正弦波r~<5%。

三、设计方案

信号发生器设计方案有多种,图1是先产生方波、三角波,再将三角波转换为正弦波的组成框图。

图1 信号发生器组成框图

主要原理是:由迟滞比较器和积分器构成方波——三角波产生电路,三角波在经过差分放大器变换为正弦波。方波——三角波产生基本电路和差分放大器电路分别如图2和图4所示。

图2所示,是由滞回比较器和积分器首尾相接形成的正反馈闭环系统,则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波,三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波、方波发生器。其工作原理如图3所示。

图2 方波和三角波产生电路

图3 比较器传输特性和波形

利用差分放大器的特点和传输特性,可以将频率较低的三角波变换为正弦波。其基本工作原理如图5所示。为了使输出波形更接近正弦波,设计时需注意:差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好;三角波的幅值V

应接近晶体管的截止电压值。

m

图4 三角波→正弦波变换电路

图5 三角波→正弦波变换关系

在图4中,RP

1调节三角波的幅度,RP

2

调整电路的对称性,并联电阻R

E2

用来减小差

分放大器的线性区。C

1、C

2

、C

3

为隔直电容,C

4

为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出

波形。

波形发生器的性能指标:

①输出波形种类:基本波形为正弦波、方波和三角波。

②频率范围:输出信号的频率范围一般分为若干波段,根据需要,可设置n个波段范围。

③输出电压:一般指输出波形的峰-峰值U p-p。

④波形特性:表征正弦波和三角波特性的参数是非线性失真系数r~和r△;表征方波特性的参数是上升时间t r。

四、电路仿真与分析

五、调试

一、方波和三角波产生电路:

三角波的幅度与R2与(R3+RP1)的比值有关。频率取决于R2与(R3+RP1)的比值和积分电路时间常数(R4+RP2)C2。

频率为100-1k 时,方波Vpp=22.4V<24V ;三角波Vpp=6.02V ; 输出三角波的P-P 就是比较器的门限宽度:

Vcc R R R V V V t t 6

43

*2t +=-=∆-+,其中三角波p-p =6V ;平衡电阻

R1=R3//(R4+R6); 通过R2进行频率调节。

S1接通时频率为1k-10k

方波发生了部分失真 S3接通时频率为10-100

方波上升时间=77us>30us ;

二、三角波-正弦波变换电路

差分放大器的传输特性曲线

t /-e 1ie ic V v I

+=

=αα,α约等于1;Vt=26mV ;

如果vid 为三角波,设⎪⎪⎭

⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-)()(4/3-t T 4V m -4/t m 4vid T T T V ,则⎪⎪⎭

⎪⎬⎫

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤+≤≤+=T T I T I T T V V T T V V t 2/e 1o 2/t 0e 1o 1ic 4/-t t m 44/-t t m 4-,,)()

(αα

Rp1调节三角波幅度,Rp2调整电路的对称性,并联电阻Re2用来较小差分放大器的线性区。C1C2C3为隔直电容,作为耦合电容要取的较大,取470uF 。C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善波形。C5、C6、C8C7一般为几十皮法至0.1uF,以滤除输出信号的高次谐波分量。 R13的调整将影响差分放大器的静态工作点电流IO ,取大小为mA ,则输出电流I oPP≈IO/2,大小也为mA ,输出电压VoPP=IoPP ×R'L 大小可达到为V ,则正弦波Up-p>1V 。

六、误差分析

1、方波输出电压Vpp ≤2Vcc ,由于运放的输出存在饱和压降,使方波输出幅度小于电源电压;

2、方波的上升时间Tr ,主要受运放转换速率的限制。如果输出频率较高,则可接入加速电容,一般为几十皮法。

3、产生失真原因及措施:

A.钟形失真。传输特性曲线的线性区太宽,应减小R11;

B.半波圆顶或平顶失真。传输特性曲线对称性差,应调整R13;

C.非线性失真。由三角波的线性度较差引起,可在输出端加滤波网络改善波形。

七、实验总结

参考书上内容,分模块进行设计调试,再将各模块搭建起来。虽然书上有公式,但实际设计起来并不是十分顺利,而且理论计算与实际仿真也有差异。典型的就是频率那里,无法拉到10kHz ,当频率越高,失真线性越严重。通过本次实验,在加深各元件使用技能外,也理解了理论的不一定都是正确的,还需要实践来验证。

八、仿真原件

信号发生器(完成图).ms14

方波和三角波产生电路.ms14三角波、正弦波变

换电路.ms14

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