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電流電壓轉換電路模擬電路課程設計

計,函數發生器總方案及原理框圖1.1 原理框圖1.2 函數發生器的總方案函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同,有產生三種或多種波形的函數發生器,使用的器件可以是分立器件 如低頻信號函數發生器 S101全部采用晶體管,也可以采用集成電路如單片函數發生器模塊。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術,本課題采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數發生器的設計方法。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種,如首先產生正弦波,然后通過整形電路將正弦波變換成方波,再由積分電路將方波變成三角波;也可以首先產生三角波—方波,再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題采用先產生方波—三角波,再將三角波變換成正弦波的電路設計方法,本課題中函數發生器電路組成框圖如下所示:由比較器和積分器組成方波—三角波產生電路,比較器輸出的方波經積分器得到三角波,三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定,輸入阻抗高,抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時,可以有效地抑制零點漂移,因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。2.課程設計的目的和設計的任務2.1 設計目的 1.掌握電子系統的一般設計方法 2.掌握模擬 IC 器件的應用3.培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力 4.掌握常用元器件的識別和測試 5.熟悉常用儀表,了解電路調試的基本方法2.2 設計任務設計方波——三角波——正弦波函數信號發生器2.3 課程設計的要求及技術指標 1.設計、組裝、調試函數發生器2.輸出波形:正弦波、方波、三角波; 3.頻率范圍 :在 10-10000Hz 范圍內可調 ; 4.輸出電壓:方波 UP-P≤24V,三角波UP-P=8V,正弦波 UP-P1V; 3.各組成部分的工作原理 3.1 方波發生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和 RC電路組成。 回路既作為延遲環節, RC 又作為反饋網絡,通過 RC 充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出 電壓 UoUz則同相輸入端電位 UpUT。Uo 通過 R3 對電容 C 正向充電,如 圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位 n 隨時間 t 的增長而逐漸增高,當 t 趨于無 窮時,Un 趨于Uz;但是,一旦 UnUt再稍增大,Uo 從Uz 躍變為-Uz與此 同時 Up 從Ut 躍變為-Ut。隨后,Uo 又通過 R3 對電容 C 反向充電,如圖中虛 線箭頭所示。Un 隨時間逐漸增長而減低,當 t 趨于無窮大時,Un 趨于-Uz;但 是,一旦 Un-Ut再減小,Uo 就從-Uz 躍變為Uz,Up 從-Ut 躍變為Ut,電容 又開始正相充電。上述過程周而復始,電路產生了自激振蕩。 3.2 方波---三角波轉換電路的工作原理 C1 3 U1 R1 3 U2 2 R4 Rp2 4 2 1 50 4 R2 5 1 R3 R17 Rp1 5 50 方波—三角波產生電路 R2 UT Uo 2 m 4 R2 R4 R p 2 C1 R3 Rp1 T R3 R p1工作原理如下:若 a 點斷開,運算發大器 A1 與 R1、R2 及 R3、RP1 組成電壓比較器,C1 為加速電容,可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓,即 U-0,同相輸入端接輸入電壓 Uia,R1 稱為平衡電阻。比較器的輸出 Uo1 的高電平等于正電源電壓Vcc,低電平等于負電源電壓-Vee(Vcc-Vee) 當比較器的 UU-0時,比較器翻轉,輸出 Uo1 從高電平跳到低電平-Vee或者從低電平Vee 跳到高電平 Vcc。設 Uo1Vcc則 R2 R3 RP U VCC 1 U ia 0 R2 R3 RP1 R2 R3RP1將上式整理,得比較器翻轉的下門限單位 Uia-為 R2 R2 U ia VCC VCC R3 RP1 R3 RP1若Uo1-Vee則比較器翻轉的上門限電位 Uia為 R2 R2 U ia VEE VCC R3 RP1 R3 RP1R2比較器的門限寬度 U H U ia U ia 2 I CC R3 RP1由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性,如圖 3-71 所示。a點斷開后,運放 A2 與 R4、RP2、C2 及 R5 組成反相積分器,其輸入信號為方 1 R4 RP2 C2波Uo1,則積分器的輸出 Uo2 為 U O 2 U O1dt VCC VCC U O1 VCC 時, U O 2 t t R4 RP2C2 R4 RP2 C2 VEE VCC U O1 VEE 時, U O 2 t t R4 RP2 C2 R4 RP2C2可見積分器的輸入為方波時,輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波,其波形關系下圖所示。a點閉合,既比較器與積分器首尾相連,形成閉環電路,則自動產生方波-三角波。 R2 三角波的幅度為 U O 2 m VCC R3RP1方波-三角波的頻率 f 為 R3 RP f 1 4 R2 R4 RP2 C2由以上兩式可以得到以下結論:1. 電位器 RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時,不會影響輸出波形的幅度。若 要求輸出頻率的范圍較寬,可用 C2 改變頻率的范圍,PR2實現頻率微調。2. 方波的輸出幅度應等于電源電壓Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓 Vcc。電位器 RP1 可實現幅度微調,但會影響方波-三角波的頻率。 3.3 三角波---正弦波轉換電路的工作原理三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具有工作點穩定,輸入阻抗高,抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器,可以有效的抑制零點漂移,因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明,aI 0傳輸特性曲線的表達式為: I C 2 aI E 2 1 e U id / U T aI 0 I C 1 aI E 1 1 eU id / U T式中 a IC / I E 1 I 0 ——差分放大器的恒定電流; U T ——溫度的電壓當量,當室溫為 25oc 時,UT≈26mV。如果 Uid 為三角波,設表達式為 4U m T T T t 4 0 t 2 U id 4U m t 3T T T 4 t T 2式中 Um——三角波的幅度; T——三角波的周期。 為使輸出波形更接近正弦波,由圖可見:(1) 傳輸特性曲線越對稱,線性區越窄越好;(2) 三角波的幅度 Um 應正好使晶體管接近飽和區或截止區。(3) 圖為實現三角波——正弦波變換的電路。其中 Rp1 調節三角波的幅度, Rp2 調整電路的對稱性,其并聯電阻 RE2 用來減小差分放大器的線性區。 電容 C1C2C3 為隔直電容,C4 為濾波電容,以濾除諧波分量,改善輸出 波形。 VCC -12V R5 R6 C5 C2 IO2 C4 R12 R14 R7 R13 50 R8 R9 R11 VCC -12V 三角波—正弦波變換電路3.4 電路的參數選擇及計算 1.方波-三角波中電容 C1 變化(關鍵性變化之一) 實物連線中,ag捕鱼游戏一開始很長時間出不來波形,后來將 C2 從 10uf(理論時可出來波形)換成 0.1uf 時,順利得出波形。實際上,分析一下便知當 C210uf時,頻率很低,不容易在實際電路中實現。2.三角波-正弦波部分比較器 A1 與積分器 A2 的元件計算如下。 R2由式(3-61)得 U O 2 m VCC R3 RP1 R2 U 4 1即 O 2m R3 RP1 VCC 12 3取 R2 10K ,則 R3 RP1 30 K ,取 R3 20 K ,RP1 為 47KΩ的電位器。區平衡電阻 R1 R2 // R3 RP1 10 K R3 RP由式(3-62) f 1 4 R2 R4 RP2 C2 R3 RP即 R4 RP1 1 4 R2 C2當 1H Z f 10 時,取 C2 10 F ,則 R4 RP2 75 7.5k ,取 R4 5.1k ,為 100KΩ電位器。當 10 H Z f 100 時 ,取 C2 1 F 以實現頻率波段的轉換,R4 及 RP2 的取值不變。取平衡電阻 R5 10k 。三角波—正弦波變換電路的參數選擇原則是: C4、 隔直電容 C3、 C5 要取得較大,因為輸出頻率很低,取 C3 C4 C5 470 F ,濾波電容 C6 視輸出的波形而定,若含高次斜波成分較多, 6 可取得較小, 6 一般為幾十皮法至 0.1 微法。 C C RE2100歐與 RP4100 歐姆相并聯,以減小差分放大器的線性區。差分放大器的幾靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線,調整 RP4 及電阻 R確定。3.5 總電路圖 VCC 12V C1 R5 R6 C5 3 U1 R1 3 U2 C2 2 R4 Rp2 C4 4 2 C3 1 50 4 R10 R12 R2 5 1 R17 50 R14 R7 R3 Rp1 5 50 R13 50 R8 R9 R11 VCC1 -12V 三角波-方波-正弦波函數發生器實驗電路先通過比較器產生方波,再通過積分器產生三角波,*后通過差分放大器形成正弦波。
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