波形发生器
摘要:函数波形发生器是能产生一种或多种波形的信号源。本文采用RC桥式正弦发生器先产生正弦波,然后正弦波通过滞回比较器输出方波,方波通过积分器再输出三角波。在完成这三种波的基础上又做了提高,使其电压峰峰值及频率实现无级调控。电压峰峰值为1-5V,频率为20-1kHz. 在确定好电路及理论计算后用仿真软件PROTUES进行仿真。
关键词: 函数波形发生器;RC桥式正弦振荡;滞回比较器;积分器
1.
方案
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的选择
函数信号发生器的实现
方法
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通常有以下几种实现方案:
(1) 用分立元件组成的函数发生器:电路虽然简单,但是单函数发生器,而且不易调试,工作也不稳定。
(2) 用专门的函数信号发生器IC产生,如ICL8038、XR2207/2209等,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。或者利用单片集成芯片的函数发生器:它能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试,如ICMAX038。
(3) 数字电路的实现方案:一般可事先在存储器里存储好函数信号波形,再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低,是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。
(4) 模拟电路的实现方案:是指全部采用模拟电路的方式,以实现信号产生电路的所有功能。
(5) 数模结合的方式,实现信号的发生与转换。
综合考虑,我们选择采用方案(4),选定采用模拟电路,先利用RC桥电路输出正弦波,再依次通过滞回比较器以及积分电路转化为方波和三角波,同时根据参数的调整来达到
题
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目的要求,如图1所示。
2. 系统
设计
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图1 模拟方案实现框图
主要设计指标:
1. 信号峰峰值1—5v可调 ;
2. 信号频率在20—1kHz内可调;
提高要求:
1.
可输出其他波形(方波,三角波等);
2.
实现频率和幅值的无级调控;
3. 系统的具体实现与理论
分析
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RC桥式正弦振荡电路
RC桥式正弦振荡电路如图2所示。其中RV3、RV4和C1、C2为串、并联选频网络,接于运算放大器的输出与同相输入端之间,构成正反馈,以产生正弦自激振荡。RV1、R1和R2组成负反馈网络,调节RV1可改变负反馈的反馈系数,从而调节放大电路的电压增益,使电压增益满足振荡的幅度条件。
图2 RC桥式正弦波振荡电路
为了使振荡幅度稳定,通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益,从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管D1,D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时,电阻R1两端的电压低,二极管D1、D2截止,负反馈系数由RV1、R1和R2决定;当输出电压的幅度增加到一定程度时,二极管D1、D2在正负半周轮流工作,其动态电阻与R1并联,使负反馈系数加大,电压增益下降。输出电压的幅度越大,二极管的动态电阻越小,电压增益也越小,输出电压的幅度保持基本稳定。
为了维持正当输出,必须满足
1+Rf /R2=3 其中Rf=Rv1+(R1//RD)
为了保证电路起振,必须满足
1+Rf /R2>3
即起振的幅值条件是
Rf /R2 >2
若
RV3=RV4=R,C1=C2=C
则电路的震荡频率:
f=1/2πRC
R=1/2πfC
要求输出频率20-1kHz可调,带入参数,计算R的调节范围:10.6k<=R<=530.5k
选用550k的滑动变阻器,计算其调节范围:1.92%~96.45%
要求输出电压峰峰值1-5V可调,经观察和计算,RV1的调节范围:50%~75%
滞回比较器
滞回比较器的电路图如图3所示。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性
的比较器。由于正反馈作用,这种比较器的门限电压是随输出电压的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要,通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路。图4为滞回比较器的电压传输特性。
图3 滞回比较器电路图
图4 滞回比较器电压传输特性曲线
方波和三角波发生器:
方波和三角波发生器由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器,一般均包括比较器和RC积分器两大部分。如图5所示为RC积分器电路。如图6所示为由滞回比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。
图5 积分器电路
图6 方波和三角波发生器
当U1:B输入为正时,则输出为正;反之输出为负。U1:C构成反相积分器,积分器输入为负时,输出向正向变化,积分器输入为正时,输出向负向变化。当积分器的输出下降到使滞回比较器的输入略低于0,则输出为负。这样不断的重复,就可以得到方波和三角波。如图7所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定,被限制在稳压值±Vz之间。调节RV2可改变振荡频率,同时输出幅值也会随之改变。
图7 三角波发生器波形图
4. 电路的实现
图8 总电路图
开始先调节RV1,使之大于50%,从而实现1+Rf /R2>3 ,实现起振,出现波形,大约在70%附近波形最好。此时若要调节输出峰峰值,只需调节继续RV1,要求输出1-5V峰峰值,根据计算和观察,RV1的调节范围是50%~75%
频率的计算公式为f=1/2πRC,同时改变RV3和RV4的阻值即可改变输出频率,经理论计算,RV1和RV2的调节范围是 1.92%~96.45%。
5. 软件仿真及结果
5.1仿真电路
5.2仿真结果
6. 总结
在小组成员的共同努力下,我们已经成功完成了正弦波、方波、三角波电路的设计以及输出电压值和频率调节的实现。通过protues仿真表明设计的电路原理正确,效果也很明显。由于时间比较紧,对于电路的定量分析方面的工作还有待于进一步深入。
RC桥式正弦波
振荡电路
滞回比较器
积分器
正弦波
方波
三角波