多功能低频函数信号发生器的设计
一、设计任务与要求
1、设计任务
设计一能产生正弦波、方波、三角波的多功能低频函数信号发生器。 2、基本要求
(1)可同时输出正弦波、方波、三角波。
(2)信号频率:10Hz ~ 10KHz。
-3(3)频率稳定度:Δf/f < 10/日.
(4)频率控制方式:
通过改变RC时间常数控制频率(手动方式);
通过改变控制电压Vi实现压控频率,(自动控制方式)。f=Ψ(Vi),Vi=1~10V。 (5)波形精度:
方波:如图2-4-1,上升沿和下降沿t、t时间均应小于2us。 rf
三角波:如图2-4-2,线性度δ/Vom < 2%。 2V N2,正弦波:谐波失真度 ,i,2% iV1
0.9Vom
δVom
0.1 Vom
tftr
(a)方波(b)三角波
方波
图2-4-1 波形精度测量示意图
(V1为基波有效值,Vi为各次谐波有效值)
(6)输出方式:
?作电压源输出时,要求:
输出幅度连续可调,最大输出电压的峰峰值不小于20V。
当RL=100Ω~1KΩ时,输出电压相对变化率ΔV0/V0 < 1%(即要求r0<1.1Ω)。
?作功率输出时,要求:
最大输出功率大于1W。
?作电流源输出时,要求:
输出电流连续可调,最大输出电流的峰峰值不小于200mA。
当RL=0Ω~90Ω时,输出电流相对变化率ΔI0/I0 < 1%(即要求r0> 9KΩ)。
31
(7)具有输出过载保护功能
当因RL过小而使I0>400mA(峰峰值),输出晶体管自动限流,以免进一步损坏元件。
二、基本工作原理
1、波形发生部分
(1)
方案
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1
三角波
积分器 比较器 方波
正弦波正弦函数转换器
图 2-4-2 波形发生方案1
先产生三角波-方波,再将三角波变换为正弦波。其原理框图如图2-4-2所示。
(2)方案2
先产生正弦波,然后由比较器产生方波,再将方波通过积分器变换三角波。其原理框图如
图2-4-3所示。
过零比较器 正弦波发生器 积分器
三角波 正弦波 方波
图 2-4-3 波形发生方案2
2、输出方式
(1)用作电压源输出和功率输出时,采用电压串联负反馈,如图2-4-4所示。
(2)用作电流源输出时,采用电流串联负反馈,如图2-4-5所示。
方波
三角波输出电流A正弦波扩展电路
WVRoFV0A,,1,RVFVRR1i1RL
图 2-4-4 电压输出、功率输出原理图
32
方波
三角波I0IR,R,R输出电流01FSAA,,正弦波IVVR,R扩展电路RLi1S
W
RF()R1VR,R,RROFSLR1SA,,VVR,RIS1
图 2-4-5 电流输出原理图
三、单元电路设计参考
1、三角波形成电路
(1)利用恒流源对电容充放电实现三角波
利用恒流源对电容充放电可以实现三角波,其关键是需要一个恒流特性很好的恒流源和一
个漏电很小、损耗和吸附效应很小的电容器,如聚苯乙烯电容器和聚四氟乙烯电容器,且电容
量一般不超过1uf,原理电路如图2-4-6所示。工作原理:在K1打开、K2闭合阶段t=0~t1,
I1电容充电至 t10 V,Idt,t1,0c0而在K1闭合、K2打开阶段t=t1~t2,电容放电至 cc
1It20V,(,2I,I)dt,V(t1),,(t2,t1),V(t1),tccc100cc由此便可以得到三角波。
图2-4-7所示为其实用电路。A1和晶体管T1组成恒流源Io,Io=(15+Vi)/1.2K。A2和
+15V1.2K+15v
T1IoA1-Vi1KK1T3CVcT41KViK22IoA2T2
-15v597
-15V图 2-4-6 对电容充放电实现三角波原理图
晶体管T2组成恒流源2Io,T3、T4为电流开关,改变控制电压?Vi的大小可同时调节两个电图 2-4-7 利用恒流源对电容充放电产生三角波实用电路
33
流源的电流,因而可以方便地实现三角波频率的控制。
(2)利用积分电路形成三角波 C积分电路可以将方波转换为三角波,其输入输ViR出函数关系为:Vo=-Vi/RC。但由于运放的输入电
VoA阻、开环增益、SR均为有限值,输入偏置电流IB,
失调电流IOS及温漂等不可能为零,以及电容CR本身的漏电等原因,实际的三角波的线性度不可能
十分理想。 图 2-4-8积分电路
(3)方波、三角波发生器
图2-4-9所示的方波、三角波发生器由积分器和比较器组成,其工作原理不作介绍,只作
1000p 1K-10KHz
R2 R3Io20.01u 100-1KHzIo1
0.1u 10-100HzW3RW1R1Vo2R4Io3A2A1W1Vo2IoIzVo1?12V
E1
+15V-15VW2
几点
说明
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: 图 2-4-9方波三角波产生电路
所示电路的周期为:T=4(R1+RW1)C(R2/R3),由此可知,改变电位器W1和电容C,
或调节W3,均可改变频率。为了调节频率的方便,这里采用改变C作为频率的粗调,改变W1作为频率细调的方案。因调节W3将同时影响三角波的幅度,所以三角波的幅度一旦调好,
W3就不再调节。
调节W2可以改变E1的电位,而E1的大小对电容的充、放电的速度影响不同,将使三角
波的上升、下降的斜率不等,从而可以改变三角波和方波的对称性。
当计算稳压管限流电阻R4时,应考虑到:R4=[12-(Vz+0.7)]/Io,而Io=Io1+Io2+Io3+Iz。
当Io1、Io2、Io3处于最大时,Iz仍应大于Izmin(通常为5mA)。
2、正弦函数转换器
利用正弦函数转换器可以将三角波转换为正弦函数。这里介绍两种正弦函数转换网络,这
两种正弦函数转换网络的基本设计思想都是将三角波进行逐段校正,使之逼近正弦波。
如图2-4-10所示,在T/2内均匀的设置了六个断点,以作7段校正,所以每段所占的时间为T/14。若设正弦波过零点的斜率与三角波相同,即
2,d(Vsint)omVTim|,t,0dtT/4 34
有Vom=2Vim/π?0.64Vim。 Vim=5V
Vom=3.18VVo3
Vo2
Vo1
0t1t2t3t4t5t6T/2
T/14
图2-4-10 逐段校正法将三角波转换为正弦波
由此可推算出各断点上应校正到的电平值:Vo1、 Vo2、 Vo3。设Vim=5v,Vom=3.18v,则
2T,V,Vsin(),1.38Vo1omT14其对应电路如图2-4-11所示,其基本结构是比例放大电路,只是按照图2-4-9的要求,使运放A在不同的时间区段内,具有不同的比例系数,对不同区段的比例系数的调整,是通过二极管
网络来实现的。如输出信号的正半周内有D1、D2、D3控制切换;负半周内有D4、D5、D6控制切换。电阻Rb1~ Rb3与Rb4~ Rb6分别组成分压器,控制各二极管的动作电平。
例如:
?在0~t1区段,要求D1~D6均不导通,此时,V0与V1的比例关系应为:
VRV01Fim,()
tRT/41i由Vo1=1.38V,t1=T/14和Vim=5v可得:R
/R=0.9。令R=10K,则R=9.7K。 FIiF
?在t1~ t2区段,要求D1导通,D2~D6均不导通,此时,V0与V1的比例关系应为:
VVRRV,//0201Fa1im,()
ttRT,/421i由Vo2-Vo1=2.49-1.38=1.11 V,t2-t1=T/14和Vim=5v可得:(R//R)/R =0.77, R=33.5K。 Fa1Ia1
同时,为控制D1的动作电平,要求1点上得电平满足下列关系:
Ra1V,(V,E),V0101D1R,Ra1b1
设计时,为了避免Rb1对比例关系得影响,要求Rb1>>Ra1,所以上式又可以化简为:
Ra1V,V,E01D1
b1R由此可得Rb1=545K。
35
Rb3D33-E (-15v)Ra3D2Rb22Ra2D1Rb11Ra1D66Ra3D5Rb35E (+15v)Ra2D4Rb24Ra1RFRb1
ViVo
图 2-4-11 三角波正弦波转换电路
3、输出级
(1)电压源输出方式
这种输出方式下,负载电阻RL通常较大,即负载对输出电流往往不提出要求,仅要求有
一定的输出电压。同时,当负载变动时,还要求输出电压的变化要小,即要求有足够小的输出
电阻ro。
例如,当RL=100~1K时,若要求ΔVo/Vo=1%,即意味着要求: oo,V0.01Vor,,,1.1,oooVV,I为此,必须引入电压负反馈。运算放大器的输出电阻ro通常为1K,当引入电压负反馈后,如,希望rof=1Ω,则要求: 1001K
roAF3od1,,,10rof设运放的Aod=104,则F应大于0.1。如图2-4-13+15V
所示同相比例放大器的闭环增益
Avd=1+RF/R1=1/F,故要求Avd<10。 R图2-4-13所示电路的输出电压的最大值受运放AVo供电电压的限制,如运放的Vcc,Vee分别为?15V,Vi则Vopp=?(12~14)V。若要求更大的输出电压幅
度,必须采用电压扩展电路如图2-4-14所示。图中,RFR1V-15V=15V+V,V=V-15V,所以V- V=30V。B1OB2OB1B2
可见对运放而言,其供电电压仍接近30V,只是二
者随V而浮动。如考虑到每个电流源上的电压至少O
为4V,则Vopp可达:?(45-15-4)=26V。当V=26VO图 2-4-13 同相比例放大电路时,V=15V+26V=41V,V=26V -15V=11V;当B1B2
36
+45VV=-26V时,V=-11V,V=-41V。 OB1B2
T1VB1
+R+15V--AVoVi++15V--
T2VB2
-45V
RF图 2-4-14运放输出电压扩展电路R1
(2)电流源输出方式
这种输出方式下,负载希望得到一定的信号电流,而往往并不提出对输出信号电压的要
求。同时,当负载变动时,还要求输出电流基本恒定,即要求有足够大的输出电阻ro。
例如,当RL=0~90Ω时,若要求ΔIo/Io=1%,即意味着要求:
oo,I90I,0
or,,,9K,为此,必须引入电流负反馈。运算放大器的输出电阻ro通常为1K,当引入电压负反馈后,如oo,I0.01I
rofAF1,,,9GR希望rof=9KΩ,则要求: ro设运放的Aod=10
4,即当V=10V时,要求Vid=1mv。若ro=1K,则输出短路电流Ics=10V/1K=10 OP
RRR2sV,IFoIoR,R,RsF2AVi+VRRF2sF,,RLVoRIR,R,ROsF2RF-VFVIRROOLLA,,,VF1kRs10R2VVF100IFR
图 2-4-15 电流输出电路 37
mA。由此可以估计出A= Ics/ Vid=10,所以要求F=V/I>0.8。 GRFO
实际电路中,运放的最大输出电流通常在10~20 mA,如负载要求有更大的输出电流,则
必须进行扩流,具体如图2-4-16、图2-4-17所示。
图2-4-16所示为一次扩流电路,T1、T2组成互补对称输出。运放的输出电流I中的大部分A
将作为T1、T2的基极电流,所以I=βI。晶体管的β值应在额定电流下测得,它通常小于小OA
电流条件下得β值;并且当运放得输出电流增大时,其最大输出电压也将随之减小。
图2-4-17所示为二次扩流电路,用于要求负载电流较大得场合,复合管T1、T2,T3、T4组成准互补对称输出电路。
+15V+15V10K10K
T3T1T1
RR1RIo
IoAA
R2RLRRLT4T2
R10KR3=R1T2
-15V10K
-15V图 2-4-16 运放输出电流扩展电路图 2-4-17运放输出电流扩展电路
图2-4-16、2-4-17中,输出晶体管发射极上的电阻R用来稳定晶体管的工作电流,但它们
与负载电阻相串联,应尽可能减小其上的压降,通常取R=(0.05~0.1)RL
图2-4-17中,R1、R3的数值应远大于T3、T4的输入电阻,以尽可能减少信号分流。大
功率管T3、T4的输入电阻通常较小,为几十欧,所以常取R1=R3=几百欧。R2为平衡电阻,它用来提高复合管T2、T4的输入电阻,以期和复合管T1、T3的输入电阻对称,所以取R2= R1//r
i3?r(约为几十欧)。 i3
在调试时,通常还可以进行调整,以使最大输出电流在正、负向对称。
(3)功率输出方式
这种输出方式下,负载要求得到一定的信号功率。由于晶体管放大电路电源电压较低,为
得到一定的信号功率,通常需配接阻值较小的负载。电路通常接成电压负反馈形式。如用运放
作为前置放大级,还必须进行扩流。当RL较大时,为满足所要求的输出功率有时还必须进行
输出电压扩展。
图2-4-18为功率放大电路。静态时,运放输出为零,-20V电源通过下列回路:R1?D?Z
b1?e1?-20V 向T1提供一定的偏置电流,I=(20-V-0.7)/R1,R6-C3、R7-C4组成去耦滤B1Z
波电路。
图中电路参数可以根据具体要求进行计算。这里说明功率晶体管T4、T5和互补对称晶体管T2、T3的选用。
38
1.2KR10
+20VR3R6C3T4T2D1~D3R5R2IoW470C5C2R9R4R1RLAT5ViDZT3C1R5R7R3R8=R10
-20V1.2KC4
图 2-4-18 功率放大电路
?功率晶体管T4、T5的选用
功率晶体管的选用主要考虑三个极限参数:U
、I、P。 ()BRCEOCMCM
T4、T5在电路中可能承受的最大反向电压:U=E+V?2E=40V。 CEMAXOM
流过T4、T5的最大集电极电流为:I?E/(RL+R5)。 CMAX2T4、T5可能承受的最大管耗为:P=0.2P=0.2(E/2RL)。实际上,静态时,T4、T5CMAXOM
中通常还有几十毫安电流将产生管耗,选用时应予以考虑。
2要求所选用的管子U>2E, I>E/(RL+R5),P>0.2(E/2RL)+ I E。且()QBRCEOCMCMC
两个管子β值应尽量对称(特别是在最大电流I时)。 CMAX
?互补对称晶体管T2、T3的选用
T2、T3的耐压仍按U>2E选择。 ()BRCEO
考虑到T2、T3管集电极电流在R2、R3上的分流作用,它们的最大值可近似地估计为:
I?(1.1~1.5)I=(1.1~1.5)I/βC2MAXB4MAXC4MAX4
T2、T3的最大管耗可近似地估计为:
P=(1.1~1.5)P/βC2MAXC4MAX4
T1为小功率管,其耐压也按2E选择。R3为其集电极负载,最好用一恒流源取代。C5为消振电容,其电容值通常为100pF左右。调节电位器W可改变输出晶体管T2~T5的静态工作电流,以克服交越失真。T1管的静态工作电流通常设置在5mA左右,以适应T2级拉电流负载(VC1升高时,T2、T4工作)和T3级灌电流负载(VC1下降时,T3、T5工作)的需要,由此可确定R3的大小。R3=(20V-1.4V)/5 mA =3.7K。
?输出级的限流保护
由于功率放大器的输出电阻很小,因而容易因过载而烧坏功率管。这里介绍两种限流保护
电路。
图2-4-19是一种简单的二极管限流保护电路,当发生过流时,R1、R2上压降增大到足以
39
使D3、D4导通,从而使流向T1、T2基极的信号电流I1、I2分流,以限制I0的增大,I0的正向最大值和负向最大值可用下式
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
示:
+EV,VV,0.7,D3BE1D3I,,omaxRR11Ib1I1T1V,VV,0.7,DBED424I,,omaxRRR22Io
显然,这要求VV4大于0.7V;可以用几个二极D3DRRL管串联,图中采用两只发光二极管,其正向电压约T2Ib2I21.6V,既满足VV4大于0.7V的要求,又可以D3D
作过载指示。 -E 图2-4-19是另一种限流保护电路,T3、T4是图 2-4-19 二极管限流保护电路限流三极管,当I0的过大,R1、R2上的压降超过
0.6V时,T3、T4导通,从而防止T1、T2基极的
+E信号电流的进一步增大,I0的最大值为:
I1Ib10.6T1,I,omaxT3RD11R1R3Io0.6,I,omaxR2R4R2R3、R4用来保护限流管T3、T4。 D2RLT4 T2 I2Ib2
-E
四、可供选择的器件 图 2-4-20 三极管限流保护电路
可供选用的元器件如表所示。阻容元件可以自选。
型号 名称 型号 名称
8050 9011、9013 NPN硅三极管 NPN硅三极管
8550 9012、9015 PNP硅三极管 PNP硅三极管
LM324 LF353 通用集成运放 通用集成运放
二极管 稳压管
40