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函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計
2013-03-04
設(shè)計一個函數(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 通過改變RC時間常數(shù)手控信號頻率
通過改變控制電壓Uc實現(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)計要求
（1） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實驗室條件自選方案設(shè)計出原理電路圖，分析工作原理，計算元件參數(shù)。
（2） 列出所有元、器件清單報實驗室備件。
（3） 安裝調(diào)試所設(shè)計的電路，使之達(dá)到設(shè)計要求。
（4） 記錄實驗結(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，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。輸出頻率最低，當(dāng)電壓為最大值時，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時為0.2%，更大范圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，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。
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
因為靜態(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方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：
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：
通過對比，發(fā)現(xiàn)頻率范圍整體下移，這里可能存在兩個原因，第一是反饋通道上的 存在磨損，使電阻值達(dá)不到計算的數(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。
（2）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。
3、波形特性測定:
① 方波上升時間:
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,測得方波上升時間為:
tr=6.4µs
分析：上升時間達(dá)不到要求，這個可以用換運(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,測得此時的三角波信號參數(shù)如下:
頻率: f=98.42Hz
峰峰值: Upp=5V
此時將實驗臺上函數(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。
來源：示波器 http://www.mrcaleather.com/
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