模拟电子技术研讨报告
研讨题目: 多种波形发生器
2014 年 6 月 7 日
1. 设计目的…………………………………………………………2
2.设计任务、要求及设计内容………………………………………2
2.1任务………………………………………………………2
2.2要求………………………………………………………2
2.3设计方案………………………………………………………3
3. 多种波形发生器原理电路设计……………………………………3
3.1 各方案原理框图………………………………………3
3.2 电路仿真………………………………………………………3
3.3系统仿真结果、数据分析和处理结果、报告………………………15
3.4方波---三角波发生电路的实验结果………………………………17
3.5三角波---正弦波发转换电路的实验结果…………………………17
3.6 实测电路波形……………………………………………………18
4. 总结……………………………………………………………19
5. 主要参考文献……………………………………………………19
一、设计目的
(1)对波形的产生及与变换电路有关的电子电路知识有大致的理解。
(2)能对多种波形信号输出的波形发生器有一定的认识,知道其功用。
(3)通过平日的学习,找到正弦波等振荡电路的振荡条件。
(4)学会使用EDA软件Multisim对电子电路进行仿真设计,并准确画出框图
(5)学习波形产生、变换电路的应用及设计方法以及主要技术指标的测试方法。
(6)提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力,学会撰写课程 设计总结报告;培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。
二、设计任务、要求及设计内容
2.1任务
设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。
2.2要求
2.2.1技术要求
1)以集成运放为放大器设计一RC正弦波振荡器,要求:
(1)振荡频率在1.5kHz±10%范围内连续可调;
(2)振荡幅度峰峰值不小于10V;
(3)波形无明显失真。
2)以集成运放为放大器设计一方波、三角波发生器,要求:
(1)以正弦波为输入信号。
(2)输出幅度:方波>7V,三角波>2V;
(3)输出波形无明显失真。
2.2.2设计要求
(1)分析设计要求,明确性能指标。构思出各种总体方案,绘制结构框图。
(2)确定合理的总体方案。对各种方案进行比较,以电路的先进性、结构的繁简、并考虑器件的来源,敲定可行方案。
(3)设计各单元电路。总体方案化整为零,分解成若干子系统或单元电路,逐个设计。
(4)组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局,通常是按信号的流向,采用左进右出的规律摆放各电路,并标出必要的说明。
2.3设计方案
波形产生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件获得所要求的波形信号输出。波形产生电路的关键部分是振荡器,而设计振荡器电路的关键是选择有源器件,确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。具体设计可参考以下思路。
①用正弦波振荡器产生正弦波输出,正弦波信号通过变换电路得方波输出(例如用施密特触发器),用积分电路将方波变换成三角波或锯齿波输出;
②利用多谐振荡器产生方波信号输出,用积分电路将方波变换成三角波输出,用折线近似法将三角波变换成正弦波输出;
③用多谐振荡器产方波输出,方波经滤波电路可得正弦波输出,方波经积分电路可得三角波输出;
三、多种波形发生器原理电路设计
3.1各方案原理框图
3.2 电路仿真
3.2.1方波---三角波发生电路的仿真
图3.5(a) 方波发生电路仿真
图3.5(b) 三角波发生电路仿真
图3.5(c) 方波—三角波发生电路仿真
3.2.2 三角波---正弦波转换电路的仿真
图3.5(d)正弦波发生电路仿真
图3.5(e)三角波—正弦波发生电路仿真
3.3 系统仿真结果、数据分析和处理的结果、报告
3.3.1总电路的安装与调试
1.整体测试、观察
2. 针对各阶段出现的问题,逐各排查校验,使其满足实验要求,即使正弦波的峰峰值大于1V。
3.3.2调试中遇到的问题及解决的方法
方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。
3.3.3方波-三角波发生器的装调
由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波与三角波,这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是,安装电位器RP1与RP2之前,要先将其调整到设计值,如设计举例题中,应先使RP1=10KΩ,RP2取(2.5-70)KΩ内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确,上电后,UO1的输出为方波,UO2的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变。
3.3.4三角波---正弦波变换电路的装调
电路的调试步骤如下:
(1)经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v,Fi =100Hz正弦波。调节Rp4及电阻R*
是传输特性曲线对称。在逐渐增大Uid。直到传输特性曲线形状入图3–5所示,记下次时对应的 Uid即Uidm值。移去信号源,再将C4左段接地,测量差份放大器的静态工作点I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.
(2) Rp3与C4连接,调节Rp3使三角波的输出幅度经Rp3等于Uidm值,这时Uo3的输出波形应接近正弦波,调节C6大小可改善输出波形。如果Uo3的波形出现如图3—76所示的几种正弦波失真,则应调节和改善参数,产生是真的原因及采取的措施有:
(3)钟形失真 如图(a)所示,传输特性曲线的线性区太宽,应减小Re2。
(4)半波圆定或平顶失真 如图(b)所示,传输特性曲线对称性差,工作点Q偏上或偏下,应调整电阻R*.
(5)非线性失真 如图(c)所示,三角波传输特性区线性度差引起的失真,主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。
3.3.5性能指标测量与误差分析
1)方波输出电压Up—p《=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对 称电路,输出方波时,两管轮流截止与饮和导通,由于导通时输出电阻的影响,使 方波输出度小于电源电压值。
2)方波的上升时间T,主要受预算放大器的限制。如果输出频率的限制。可接的加速 电容C1,一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲测量T。
3.4方波---三角波发生电路的实验结果
最大不失真电压U=2.1V
3.5三角波---正弦波转换电路的实验结果
(1)实际电路静态工作点:
(2) 最后波形:Uo3(正弦波) Uo2(三角波)
测量值Uo3=0.43V Uo2=0.072V
峰峰值Uo3=1.2162V Uo2=0.2036V
3.6实测电路波形
四、总结
本次课程设计是在前导验证性认知实验基础上,进行更高层次命题的课程设计,是我们共同合作查阅资料、设计、安装和调试特定功能的电子电路。通过这次课程设计,我懂得了要完成一个电路的设计,理论基础是根基,实践操作是完成实物的重要部分,而创新能力则决定了一个电路的价值.因为设计一个电路,决不是简单地按课本的电路图进行焊接成型,我们要进行电路各个元件参数的计算,这个涉及我们所掌握的理论知识.元件的计算是设计中较为重要的一部分,计算准了,则设计出来的电路误差不大,否则,设计出来的电路性能指标跟要求相差甚远。最困难的是当电路出现错误是,如何检测出错误之处,如何排除错误,它考验了我们如何运用理论知识和实际的调试的能力.另外,通过这次课程设计,我掌握了常用元件的识别和测试、熟悉了常用的仪器、了解了电路的连接、焊接方法、巩固了基础、提高了实际操作技能、并养成注重设计、追求创新的思维习惯.总而言之,这次课程设计极大的提高我在电子电路方面的各项能力
五、主要参考文献
[1] 彭介华 《电子技术课程设计指导》北京 高等教育出版社 2005.
[2] 李忠波 《电子技术》北京 机械工业出版社 2003.
[3] 康华光主编 《电子技术基础》北京 高等教育出版社 1988 修订3版
[4] 《实用电子电路手册(模拟电路分册)》 编写组编 《实用电子电路手
(模拟电路分册)》 北京 高等教育出版社 1991.
实验一 示波器波形参数测量
一、实验目的:
1、通过示波器的波形参数测量,进一步巩固加强示波器的波形显示原理的掌握,熟悉示波器的使用技巧。
2、熟练掌握用示波器测量电压信号峰峰值,有效值及其直流分量的方法。
3、熟练掌握用示波器测量电压信号周期及频率的方法。
4. 熟练掌握用示波器在单踪方式和双踪方式下测量两信号的相位差。
二、 实验设备:
1、信号发生器
2、示波器
3、电阻、电容等
三、 实验步骤:
1、测量1kHZ的三角波信号的峰峰值及其直流分量。
(1)按实验电路图接好电路,并使示波器CH1为三角波信号,CH2为正弦波信号;
(2)按下CH1.关闭CH2,此时屏幕上只显示CH1三角波的波形。将测量基线分别移到最大值和最小值处,从屏幕上读出ΔV的值即为峰峰值;
(3)将AC/DC档打到AC档,测量三角波波形上下平移的电压值即为直流分量。
2、测量1kHZ的三角波经阻容移相平波后的信号V0的峰峰值及其直流分量。
(1)按实验电路图接好电路,并使示波器CH1为三角波信号,CH2为正弦波信号;
(2)按下CH2.关闭CH1,此时屏幕上只显示CH2正弦波的波形。将测量基线分别移到最大值和最小值处,从屏幕上读出ΔV的值即为峰峰值;
(3)将AC/DC档打到AC档,测量正弦波波形上下平移的电压值即为直流分量。
3、测量1kHZ的三角波的周期及频率。
(1)按实验电路图接好电路,并使示波器CH1为三角波信号,CH2为正弦波信号;
(2)按下CH1.关闭CH2,此时屏幕上只显示CH1三角波的波形。读出示波器屏幕下方的频率值即可得出三角波的周期和频率。
4、用单踪方式测量三角波、V0两信号间的相位差。
(1)按实验电路图接好电路,并使示波器CH1为三角波信号,CH2为正弦波信号;
(2)按下CH1.关闭CH2,此时屏幕上只显示CH1三角波的波形。将测量基线中的一根移到三角波的波谷处。
(3)按下CH2.关闭CH1,此时屏幕上只显示CH2正弦波的波形。将测量基线中的另外一根移到正弦波波形上与被测量三角波同周期内的波谷处,读出此时示波器显示的Δt。
(4)由φ=即可求出三角波与正弦波的相位差。
5、用双踪方式测量三角波、V0两信号间的相位差。
(1)按实验电路图接好电路,并使示波器CH1为三角波信号,CH2为正弦波信号;
(2)按下CH1.按下CH2,此时屏幕上同时显示三角波和正弦波的波形。
(3)将测量基线中的一根移到三角波的波谷处,将测量基线中的另外一根移到正弦波波形上与被测量三角波同周期内的波谷处,读出此时示波器显示的Δt。
(4)由φ=即可求出三角波与正弦波的相位差。
6、信号改为10HZ,重复上述步骤1—5。
步骤与1kHZ类似。但进行波形调节时,由于频率过低,不易观察波形特征。
四、实验电路:
五、实验数据:
1、1kHz时:
(1)三角波峰峰值:Vpp1=3.65V,直流分量为V=0.26V;
(2)正弦波V0峰峰值:Vpp2=0.274V,直流分量V=0.028V;
(3)三角波周期T1=0.985ms,频率f1=1.0152kHz;
(4)单踪方式测相位差△t1=0.230ms,则△Φ1=0.46π;
(5)双踪方式测相位差△t2=0.225ms,则△Φ2=0.45π;
【结论】由单踪、双踪方式的测量数据可以看出,单踪数据更接近于90°的相位差,因而更加精确。
2、10Hz时:
由于信号频率过低,进行波形观察时,波形很难调到稳定状态,不易观察。因此,我们只是较精确地测得了三角波的峰峰值:Vpp1=2.74V,周期T1=98.43ms,频率f1=10.16Hz;
六、思考题:
1、测量相位差时,双踪、单踪测量哪种方式更准确?为什么?
单踪方式测相位差更准确。因为选用双踪方式时,使用两个输入通道,这样产生的系统误差更大;采用单踪方式时信号只需要从一个通道输入,不会产生过大的差异。因此单踪方式测量相位差更准确。
2、你认为在实验过程中,双踪示波器的扫描是工作在交替、还是断续方式?为什么?
工作在断续方式。因为交替方式是按锯齿波扫描频率在两通道间周期切换。用于观察较高频率信号。在同时观察两个不相关信号波形时,必须使用交替方式才能使两个不相关信号波形同时稳定。断续方式是在一个锯齿波扫描周期内,以一定的频率在两通道间高速切换,这个切换频率称为断续频率,不同的示波器断续频率不同,多数采用100KHz—250KHz。适用于观察较低频率信号波形。因此,该实验中两个通道的波形互相相关,且频率不高,示波器工作在断续方式。
3、对于同一组移相电路,1KHZ和10HZ三角波经过移相变换后,其相位、幅值有何不同?为什么?
移相变换后, ,Φ=-arctan(RωC)。因此,移相之后,1kHZ的三角波比10HZ的幅值更小,相位差更大。
实验二 图示仪的使用及晶体管特性参数测量
一、实验目的:
通过图示仪对晶体管参数的测量使用,加强对图示仪的波形显示原理的掌握,熟悉图示仪的使用方法。
1、学会用图示仪测量晶体三极管的特性参数。
2、学会用图示仪测量二极管的特性参数。
3、学会用图示仪测量稳压二极管的特性参数。
二、实验设备:
1.图示仪
2.二极管、稳压二极管、晶体管9012、9013
三、实验步骤:
1.测量二极管的导通特性曲线。
2.测量稳压二极管的正向、反向特性曲线。
3.测量晶体管9012的特性曲线,计算Vces、Vceo、Iceo、hfe。
4.测量晶体管9013的特性曲线,计算Vces、Vceo、Iceo、hfe。
四、实验数据:
由于该实验为演示实验,因此我们自己动手调节并观察了相关图像,学习了图示仪的的使用方法。下面是我得到的实验结果:
1、测量二极管的导通特性曲线
2、测量稳压二极管的正向、反向特性曲线
3、测量晶体管9012的特性曲线,计算Vces、Vceo、Iceo、hfe
4、测量晶体管9013的特性曲线,计算Vces、Vceo、Iceo、hfe
【补充】1、二极管特性曲线
2、三极管特性曲线
四、讨论:
1、测量二极管、稳压二极管的特性曲线时,如何注意Rc及扫描电压的档位?
RC应该调至适当的档位,以保护被测电阻。测量正向特性时应将RC适当调大,使扫描的电流小于稳压管的最大电流,以免烧坏器件。扫描电压应调至“0”处,待实验开始后逐渐增大,但应小于器件的最大允许电压。
2、测量晶体管的特性曲线时,为什么增加簇数时,屏幕上的波形为什么会闪动?请你计算扫描一簇曲线所用的时间?
增加簇数,会使n增大,Ts=n·Tc,则Ts要增大。由于阶梯波发生器开关速度低,重新产生增大后的阶梯信号会出现闪动。
3、如何进行阶梯波的调零?
以PNP型三级管为例,显示部分中间按钮按F,调零起始位置在右上角,级数选择“1”,按下测量板上的“零电流”,调整Vce=10V,松开“零电流”,应使第一条线与Iceo重合即可。
实验三 数值化测量仪的使用
一、实验目的:
通过数字化测量仪的使用,进一步巩固加强对数值化测量原理的掌握,不同数值化测量的误差分析及影响因素。
1、学会用数字化测量仪测量信号的周期和频率。
2、学会分析数字化测量的误差来源。
3、掌握如何减少测量误差的措施。
二、 实验设备:
1、信号发生器
2、数字频率计
三、实验步骤:
分别用测频、测周的方法测量100Hz、1kHz、10kHz的方波,将测量数据填入下表。
四、思考题:
1、通过以上实验数据,请你分析该测量系统的误差来源,以及减少测量差的措施和方法。
在测频时,相对误差由量化误差和标准频率误差两部分组成。当频率一定,闸门时间越长,测量准确度越高;当闸门时间一定时,频率越高,测量准确度越高。
解决方法:
(1)选择准确性高、稳定性高的晶振作为时标信号发生器。
(2)在不使计数器产生溢出的情况下加大分频器的分频系数,扩大主门的开启时间。
(3)对于随机的计数误差可提高信噪比或调小通道增益来减小误差。
在测周时,误差有量化误差、转换误差、标准频率误差。当频率一定时,闸门时间越长,测量准确度越高;当闸门时间一定时,频率越小,测量准确度越高。
解决方法:
(1)采用多周期测量。
(2)选用小时标。
(3)测量过程中尽可能提高信噪比。
2、为什么在减小输入信号的幅值到一定程度时,测量相位差会突然增大?
在减小输入信号的幅值到一定程度时,测量无法满足计数器要求的触发电平,所以相位差会突然增大。
【实验心得及体会】
本次实验主要分为三个部分:示波器、图示仪以及数值化测量仪的使用。尽管实验之前我已经认真地阅读了上述仪器的使用说明书,并对实验内容进行了充分的预习。进入实验室之后,由于此前很少有操作这些仪器的经历和经验,理论和实际操作有着一定的差异,导致开始做实验时我的操作过程不是很熟练。随着实验的进行,我慢慢熟悉了示波器的使用和各个按键的作用,实验过程顺利了很多。做图示仪的实验时,我们在老师的指导之后自己又动手尝试进行了操作,并观察了二极管和三极管的特性曲线。最后一个实验室数值化测量仪的使用,操作相对比较简单,只要弄明白原理读起数来就不会有太大的问题。
总之,本次实验加深了我对示波器等常用仪器原理和使用方法的认识和理解,同时也很大地增强了我的实际动手操作能力。实验过程中遇到的一些问题在老师和同学的帮助下也得到了很好地解决,更加提高了我的理论和操作能力。
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