低频函数信号发生器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,浙江大学 蔡忠法 电子系统综合设计,电子系统综合设计,低频函数信号发生器,蔡忠法,浙江大学电工电子基础中心,学而时,習,之，不亦悦乎？,孔子,论语,道可道非常道。,老子,道德经,教学安排：,第一阶段（前,4,天）：玉泉教,4-404,上午上课（,8:30-11:30,）；第,4,天：课堂测试。,第三阶段（后,4,天）：东,3,实验室,209,、,211,上午,8:00,发车（玉泉后校门内）；下午,5:00,发车。,第,7,天（,8,月,23,日）上午,:,领电路板，借电烙铁,第,7-10,天 焊接，实验调试,第,10,天 交课程报告和总结报告,第二阶段（中间,2,天）：玉泉,数字频率计,VHDL,设计，交实验报告和预设计报告,教学内容：,第,11,章 电子设计基础知识,实验,12.2,低频函数信号发生器的设计,实验,12.3,低频数字频率计的设计,成绩评定：,平时和测试成绩,20,分,预设计和频率计,VHDL 20,分,实验结果,40,分,实验报告和课程总结,20,分,课件下载地址,ftp:,10.71.21.98:8021,匿名登陆,目录：,/,5-,课程资料下载,/,蔡忠法,预设计报告上传地址,ftp:,同上,匿名登陆,目录：,/0-incoming/upto,蔡忠法,要求：,文件名统一“学号 姓名 文档说明”,电子系统设计基本方法：,系 统,元 器 件,功能模块,功能模块,功能模块,功能模块,单元电路,单元电路,单元电路,单元电路,单元电路,单元电路,单元电路,单元电路,子系统,子系统,电子系统设计过程：,方案论证,总体设计,软硬件设计,组装调试,产品定型,确定系统功能：“做什么？”,确定性能指标：“做到什么程度？”,确定组成方案：“怎么做？”,系统软硬件划分,系统功能划分及子系统框图,选择硬件类型：,通用,IC,、,PLD,、,MCU,、,DSP,、,ASIC,、,SOC,设计单元电路，确定元器件,设计程序流程，编写源程序,制作印刷板（或画出电路图）,装配调试,测试系统指标,写出产品技术报告和说明书,总结设计报告,组装正式样机,衰减器开关,频率档级,函数选择,函数,/,计数,直流偏置,占空比,频率调节,频率显示窗口,幅度调节,压控振荡输入,同步信号输出,信号输出端,频率计数输入,设 计 任 务,1.,同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波,一、设计内容：设计一个低频函数信号发生器,二、性能与技术指标,2.,频率范围：,10Hz,10kHz,3.,频率稳定度,:,4.,频率控制方式：,(1),通过改变,RC,时间常数控制频率（手控方 式）；,设 计 任 务 书：,(2),通过改变控制电压,V,1,实现压控频率（即,VCF,），常用于自控方式。即,:,（,V,1,=1,10V,）,为确保良好的控制特性，可分三段控制：,10 Hz,100 Hz,100 Hz,1 kHz,1 kHz,10 kHz,5.,波形精度：,(1),方波：上升沿和下降沿时间均应小于,2,s,(2),三角波：线性度,(3),正弦波：谐波失真度,（,V,1,为基波有效值，,V,i,为各次谐波有效值,),t,r,t,f,0.1,V,om,0.9,V,om,V,om,V,om,6.,输出方式：,(1),作,电压源输出,时，要求：,输出电压幅度连续可调，最大输出电压（峰峰值）不小于,20V,；,(2),作,电流源输出,时，要求：,输出电流连续可调，最大输出电流（峰峰值）不小于,200 mA,；,当,R,L,=100,1k,时，输出电压相对变化率,(,即要求,R,o,400 mA,时，输出晶体管自动限流，以免进一步损坏电路元器件。,8.,采用数字频率显示方式。,当,R,L,=0,90,时，输出电流相对变化率,(,即要求,R,o,9 k),。,(3),作,功率输出,时，要求最大输出功率,P,omax,1W,（,R,L,=50,时）。,低频函数信号发生器的设计,一、总体方案讨论,振荡部分,输出电路,输出,频率调节,幅度调节,频率指示,幅度指示,函数信号发生器的原理框图,信号产生部分的多种实现方案,模拟电路实现方案,数字电路实现方案,模数结合的实现方案,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。这种方案在信号频率较低时，具有较,好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频信号（如,1MHz,）。,模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用,D/A,转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。,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。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。,对于信号产生电路的模拟电路实现方案，也有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，电路框图如图所示。,模拟电路实现信号产生电路的多种方式,方案,1,正弦波,发生器,过零,比较器,积分器,正弦波,方波,三角波,这种电路结构简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。,方案,2,正弦函数,转换电路,比较器,积分器,正弦波,方波,三角波,另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图所示。,正弦函数,转换电路,比较器,积分器,正弦波,方波,三角波,这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。,该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。,根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出级只需采用不同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求电流输出时，采用电流负反馈。这将在单元电路分析中进行详细介绍。,由所选方案及组成电路的形式，可以初步分析该实验在实现上述技术指标时的关键和困难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用测试设备进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。,因此，在实验的设计、制作及测试过程中，应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标参数的电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。对于方波信号的,上升沿和下降沿,时间，则可用实验室中的示波器进行检测，该项技术指标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波，方波发生器和输出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取，如运算放大器的转换速率（,SR,）等。,1.,三角波方波发生器,(1),比较器,RC,电路,二、单元电路分析,R,两端的电压逐渐下降，充电电流也将不断减小。,线性度非常差，显然不能当作三角波使用。使,i,C,恒定的办法有多种，其实质都是利用恒流源电路取代图中的,R,，便可获得较为理想的三角波波形。,三种形式的恒流源电路,三极管构成,场效应管构成,1,个恒流源,+,桥式整流,第一种形式：三极管构成,第二种形式：场效应管构成,第三种形式：,1,个恒流源,+,桥式整流,(2),比较器积分器,在一般使用情况下，,V,1,和,V,2,都接地。只有在方波的占空比不为,50%,，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变,V,1,和,V,2,的大小和方向加以调整。,V,1,和,V,2,都接地时的波形：,(1),对称调节点,V,1,V,1,0,时：,当,v,O2,=+,V,Z,时，,当,v,O2,=,-,V,Z,时，,当,V,1,0,时，,T,1,T,2,；,V,1,0,时，,T,1,0,，则三角波上移；若,V,2,0,，则三角波下移。,其上幅度为：,其下幅度为：,而三角波的峰峰值为：,由上可知，当,R,2,/,R,3,的比值调好后，三角波的峰峰值已经确定，调节,V,2,的大小可使三角波上下平移。,因此，当由于失调等原因引起三角波零位偏移（上下不对称）时，可通过改变,V,2,的大小进行调整。,讨论题,运放的,SR,参数是什么意思？若已知运放,LF353,的,SR,13V/s,，试分析能否满足电路的设计要求。,测量频率范围时，能否通过调,R,p2,来改变频率？,若方波三角波出不来，但线路经检查正确。怎么办？,函数转换是指：把某种函数关系转换成另一种函数关系，能完成这种转换功能的电子电路就称为函数转换电路。常用的函数转换电路，如半波、全波整流电路，就是把正弦波形转换成半波和全波波形的函数转换电路。本实验需要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压波形的正弦函数转换电路。,2.,正弦函数转换电路,从转换原理分析，有多种方法能完成这一转换功能，常用的有：,滤波法的转换原理是，把峰值为,V,m,的三角波用傅里叶级数展开：,滤波法,运算法,折线法,由上式可以看出，若三角波的频率变化范围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波，保留基波成份，正弦波与三角波之间具有固定的幅度关系。但若三角波的频率变化范围较大（如本实验的频率变化范围是,1000,倍），要设计一个对截止频率具有跟踪功能的低通滤波器就相当困难、不易实现。因此，,滤波法只适用于频率变化范围很小，最好是固定频率的应用场合。,运算法的转换原理是，把展开成幂级数形式：,由上述关系容易看出，取幂级数的前几项（根据转换精度的要求），可以通过对线性（三角波）变化量,x,的运算来近似表示成,sin,x,，但要求三角波的幅度,R,a1,，所以，上式又可简化为：,取,V,D,=0.6V,，则,（选,670 k,）。,对于其它区段内各电阻参数的计算，同理可以进行计算和选取。,v,i,v,o,R,a2,=9.13 k(,选,9.1 k),R,b2,=72.22 k(,选,75 k);,R,a3,=1.88 k(,选,1.8 k),R,b3,=10.97 k(,选,10 k).,二极管网络,：逐段校正。,运放,：电压跟随器，作为隔离，称为缓冲级。,三极管,：电压跟随器，提供参考电平。,正弦函数转换方案,2,在输入信号的正半周内，应由,D,1,D,3,实现逐段校正；在输入信号的负半周内，应由,D,4,D,6,实现逐段校正。,设硅二极管的开启电压为,0.5V,，所以各二极管的动作电平,V,1,V,3,应设置为：,v,i,v,o,v,i,v,o,在,0T/14,区段内,D,1,D,6,均不导通，所以,v,o,=,v,i,。,在,T/14T/7,区段内,仅有,D,1,导通，,D,2,D,6,均截止。此时，,即书上的式子：,若选,R,4,=2.2 k,，则,R,5,=7.8 k,。,v,i,v,o,在,T/73T/14,区段内,D,1,、,D,2,均导通，所以有,即,代入已知数据后得,R,6,=2.01 k,，取,R,6,=2 k,。,v,i,v,o,D,1,D,3,均导通，输出电压被二极管,D,3,嵌位，所以,v,O,=,V,3,+0.5 V=3.1V,。（对这一段的校正与方案,1,不同）。,在,3T/144T/14,区段内,图中的,V,1,V,3,，是通过由跟随器组成的电压源，再经分压后得到的。因此，为使电压源内阻不影响各个转折电压，分压器的阻值应选得远小于,R,5,和,R,6,。,分析和实验结果表明，当输入三角波在,T/2,内设置六个断点，以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在,1.8%,以内，若将断点数增加到,12,个时，正弦波的非线性失真度可在,0.8%,以内,(,实测值为,0.42%),。,v,i,v,o,这里介绍的两种有源正弦函数转换网络，基本设计思想都是将三角波进行逐段校正，使之输出逼近正弦波。,讨论题,比照课件电路（即教材图,12.17,）和参考电路，说明两者之间的区别及优缺点。,参考电路中，电位器,R,p3,有何作用？运放,U2A,有何作用？能否将运放,U2A,组成的比例电路改为电压跟随器？为何？,若采用五段逼近，如何计算各电阻阻值？五段逼近的效果会如何？,根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式：,3.,输出级电路,电压源输出方式,电流源输出方式,功率输出方式,电压源输出方式,电压源输出方式下，负载电阻,R,L,通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，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，即要求输出级电路的输出电阻,R,o,足够小。,例如，当,R,L,=1001k,时，若要求 ，即意味着要求：,为此，必须引入电压负反馈。运算放大器的输出电阻通常为,1k,以下，当引入电压负反馈后，如希望,R,o,=1,，则要求：,图示电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的,V,CC,和,V,EE,分别为,15V,时，则,V,OPP,=(12 14)V,。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路。,设运放的,A,od,=10,4,，则,F,应大于,0.1,，这是容易满足的。,故要求,A,vf,10,。,对运放而言，其供电电压（,V,CC,V,EE,）仍接近,30V,，只是二者随,v,O,而浮动。如考虑到,R,2,、,R,3,上的电压至少为,4V,，则,V,opp,可达：,（,45154,）,=26V,。,当,v,O,=+26V,时，,v,B1,=15+26=41V,，,v,B2,=2615=11V,；而当,v,O,=,-,26V,时，,v,B1,=11V,，,v,B2,=,-,41V,。,电流源输出方式,在电流源输出方式下，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,R,o,。,例如，当,R,L,=090,时，若要求 ，即意味着要求：,为此，需引入电流负反馈。,设运放,A,od,=10,4,，即当,V,op,=10 V,时，要求,V,Id,=1 mV,。若,R,o,=1 k,，则输出短路电流,I,o s,=10V/1 k=10 mA,。由此可以估计出,若运放的输出电阻,R,o,=1 k,，则要求：,所以要求：,所示电路中，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。,一次扩流电路,T,1,和,T,2,组成互补对称输出。运放的输出电流,I,A,中的大部分将作为,T,1,、,T,2,的基极电流，所以,I,O,=,I,A,。,值得注意的是，晶体管,值应在额定电流下测得，它通常要小于小电流条件下的,值。并且，当运放输出电流增大时，运放的最大输出电压幅度也随着减小，不再能达到,(12 14)V,。,二次扩流电路,用于要求负载电流,I,O,较大的场合。复合管,T,1,、,T,3,和,T,2,、,T,4,组成准互补对称输出电路。,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，但它们与输出负载,R,L,相串联，应尽可能减小其上的压降。通常取,R,=(0.05 0.1),R,L,。,R,1,和,R,3,的数值应远大于,T,3,、,T,4,级的输入电阻,R,i3,和,R,i4,，以尽可能减少信号分流。大功率管,T,3,、,T,4,的,r,be,较小，通常为几十欧。所以常取,R,1,=,R,3,=,几百欧。,R,2,为平衡电阻，它用来提高复合管,T,2,、,T,4,的输入电阻，以期和复合管,T,1,、,T,3,的输入电阻对称，所以取,R,2,=,R,1,/,R,i3,(,约几十欧,),。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。,功率输出方式,在功率输出方式下，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,R,L,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。,功率放大电路示例,(1),功率管,T,4,、,T,5,的选用,T,4,、,T,5,可能承受的最大功耗，按教材中对乙类功率放大器的分析，应为,功率管的选用主要考虑三个极限参数：即,V,BR(CEO),、,I,CM,和,P,CM,。,T,4,、,T,5,在电路中可能承受的反向电压最大值：,V,CE(max),=,V,CC,+,V,om,2,V,CC,=40V,（截止时）；,流过,T,4,、,T,5,的最大集电极电流为：,I,C(max),V,CC,/(,R,L,+,R,5,),（接近饱和时）；,例图,实际上，静态时，,T,4,、,T,5,中通常还有几十,mA,的静态工作电流,I,CQ,将产生管耗,(,I,CQ,V,CC,),，选管时应予考虑，所以,另外，在选用管子时还要求二管的,值应尽量对称（特别是在最大电流时）。,例图,考虑到,T,2,、,T,3,管集电极电流在,R,2,、,R,3,上的分流作用，它们的最大值可近似估计为：,T,2,、,T,3,的最大功耗通常也按下列公式估计：,(2),互补对称晶体管,T,2,、,T,3,的选用,T,2,、,T,3,的耐压仍应按,V,CE(max),2,V,CC,选择；,例图,T,1,为小功率管，但其耐压也应按,2,V,CC,选用，,R,3,为集电极负载，最好用一恒流源取代。,C,5,为消振电容，其电容值通常为,100pF,左右。调节电位器,R,w,可改变输出晶体管,T,2,T,5,的静态工作电流，以克服交越失真。,T,1,管的静态工作电流通常设置在,5mA,左右，以适应,T,2,级拉电流负载（,v,C1,升高时，,T,2,、,T,4,工作）和,T,3,级灌电流负载（,v,C1,降低时，,T,3,、,T,5,工作）的需要，由此便可确定,R,2,的阻值大小：,（取,3.9k,）,(3),共射电路,T,1,级中元件的选用,例图,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。,当发生过流（,I,o,过大）时，,D,3,、,D,4,导通，从而使基极电流信号分流，以限制,I,o,的增大。,I,o,的正向最大值和负向最大值为：,T,3,、,T,4,是限流管。当,I,o,过大，,R,5,、,R,6,上的压降超过,0.6V,时，,T,3,、,T,4,导通而防止了,T,1,、,T,2,基极信号电流的进一步增大。,I,o,的最大值为,R,3,、,R,4,用来保护限流管,T,3,、,T,4,。,讨论题,参考电路中，,R,01,、,C,01,、,C,03,组成什么电路，起什么作用？能否省略该电路？,参考电路中，功放级的电压放大倍数是多少？最大输出电压是多少？最大输出电流是多少？,如何测试限流二极管是否能起作用？,预设计报告,技术指标、总体方案、单元电路设计、电路仿真结果；,打印的原理图和安装布置图（实验调试时用）；,设计好电路的,调试步骤,，设计好测试指标的,数据表格,。,电子版（,doc,或,pdf,格式）上传至,ftp,。,功率放大电路,返 回,附：参考电路,方波三角波发生电路,正弦波转换电路,功率输出电路,电源输入,电位器,电位器,运放,元件区,元件区,附：通用电路板,蔡忠法,浙江大学电工电子教学中心,Ver2.2,版权所有,2011,年,Thank you for your attention,