多波形信號發(fā)生器.doc

電路實踐系列講義 多波形信號發(fā)生器與濾波器2013-3-25多波形信號發(fā)生器（理論設(shè)計部分）電子電路中，信號源是必備的，在電路中，所需要的信號由信號源提供。而現(xiàn)在使用最多的信號主要是正弦波，脈沖波，三角波，鋸齒波等等，本講介紹一種能同時產(chǎn)生脈沖波，三角波和正弦波的電路的設(shè)計與實驗。三角波的產(chǎn)生可以利用電容器的充放電過程（積分電路）來實現(xiàn)，因為三角波要求電位變化是線性的，即均勻變化，可以利用運算放大器產(chǎn)生一個對電容充放電電流恒定的電路，充電和放電過程可以由脈沖信號控制，而脈沖信號的形成也可以由運算放大器來完成，脈沖波可以由運算放大器構(gòu)成比較器來產(chǎn)生，而正弦波可以利用正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生，好可以利用脈沖波或者三角波經(jīng)濾波后得到，而所需要的濾波器也可以由運算放大器構(gòu)成。從以上討論可知，電路利用的主要器件是運算放大器。運算放大器的基本概念1 運算放大器是電子電路中最常用的電子器件之一，利用運算放大器可以構(gòu)成比較器，電壓跟隨器（隔離電路），比例放大器，運算電路，信號發(fā)生器，濾波器等多種用途的電路。2 運算放大器的電路符號如圖所示，它有兩個輸入端其中（+）叫做同相輸入端，（-）叫做反相輸入端，一個輸出端。3 運算放大器具有兩個重要的特性，一是兩個輸入端的輸入阻抗都很大，一般都在106以上，二是開環(huán)放大倍數(shù)很大，一般都在105倍以上。4 當(dāng)運算放大器開環(huán)（在輸出端和輸入端不加反饋電路）使用時，一般都會工作在飽和狀態(tài)（原因是：兩輸入端加上電壓信號，輸出端的電壓受到電源電壓的限制其最大值高不能超過電源正電壓，低不能低于電源負(fù)電壓），當(dāng)V+ > V- 時，輸出高電平（接近電源正電壓），當(dāng)V+ < V- 時，輸出低電平（接近電源負(fù)電壓）。這就是一個比較器。5 當(dāng)運算放大器閉環(huán)在輸出端和反相輸入端（-）加反饋電路使用時，運算放大器的運用非常靈活，可以構(gòu)成各種各樣的電路，但無論是分析還是設(shè)計電路，只要掌握以下兩點：一是因為輸入阻抗很大使得輸入電流很小而忽略認(rèn)為兩輸入端的電流為0（虛斷路，如LM358輸入端電流小于45nA），一是因為開環(huán)放大倍數(shù)很大使得兩輸入端的電壓很小而忽略認(rèn)為兩輸入端的電壓為0（虛短路，如LM358輸出信號幅度1V,兩輸入端電壓最大不超過10V），由以運算放大器為核心器件構(gòu)成的電路的分析與設(shè)計就變得非常簡單與方便。常用的通用運算放大器LM358和LM324簡介1 通用運算放大器LM358是一塊雙運放集成電路，內(nèi)含二個完全一樣的運算放大器，引腳8個，引腳編號1，2，3，4，5，6，7，8按如下方法確定：正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圓點的位置在左下），左下第一引腳為1，然后按逆時針順序依次確定2，3，4，5，6，7，8，即左上腳為8號引腳。實物圖如圖所示。8腳接正電源，4腳接負(fù)電源或地GND引腳3，2，1三個腳組成A運放（其中引腳3為A運放的同相輸入端，引腳2為A運放的反相輸入端，引腳1為A運放的輸出端），引腳5，6，7三個腳組成B運放（其中引腳5為B運放的同相輸入端，引腳6為B運放的反相輸入端，引腳7為B運放的輸出端）。右圖為運算放大器LM358電路符號。2 通用運算放大器LM324簡介 通用運算放大器LM324是四運放集成電路，內(nèi)含四個完全一樣的運算放大器，引腳14個，引腳編號1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14按如下方法確定：正面朝上，有缺口的一方朝左（或者有圓點的位置在左下），左下第一引腳為1，然后按逆時針順序依次確定2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，即左上腳為14號引腳。實物如圖所示。4腳接正電源，11腳接負(fù)電源或地GND引腳3，2，1三個腳組成A運放（其中引腳3為A運放的同相輸入端，引腳2為A運放的反相輸入端，引腳1為A運放的輸出端），引腳5，6，7三個腳組成B運放（其中引腳5為B運放的同相輸入端，引腳6為B運放的反相輸入端，引腳7為B運放的輸出端）。引腳10，9，8三個腳組成C運放（其中引腳10為C運放的同相輸入端，引腳9為C運放的反相輸入端，引腳8為C運放的輸出端）。引腳12，13，14三個腳組成D運放（其中引腳12為D運放的同相輸入端，引腳13為D運放的反相輸入端，引腳14為D運放的輸出端）上圖為運算放大器LM324電路符號。3 運算放大器LM358和LM324的主要參數(shù) 電源電壓范圍 單電源 +3.0V-+32V，雙電源1.5 V-16 V； 輸出高電平大約比電源電壓低1.4V； 當(dāng)單電源供電時，輸出低電平約為0V；最大輸出端拉電流40mA，最大輸出端灌電流20mA，脈沖波與三角波信號發(fā)生器 電路結(jié)構(gòu)如圖所示。由運放UB，UC，電阻R1，R2，R3，R4，發(fā)光二極管D1，D2，電容C構(gòu)成，其中UB構(gòu)成比較器，UC，R4，電容C構(gòu)成積分器，R1，R2構(gòu)成比較電壓產(chǎn)生電路，發(fā)光二極管D1，D2構(gòu)成電壓穩(wěn)定電路。在最初時刻t0，設(shè)比較器輸出高電平（UB運放同相端電位高于反相端電位，注意到反相端電位為0,所以同相端電位為正）， 則由于D2（圖中右邊一個發(fā)光二極管）導(dǎo)通（D1截止），所以Ub = +UD（發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓，紅色發(fā)光二極管導(dǎo)通電壓若為1.8V），而最初時刻，電容器上無電荷，Uc=0，所以Uo=0（注意到運放UC的同相端和反相端電位都是0），此時Ud(比較器+端電壓)為一個正電壓（維持比較器輸出高電平）。由于R4上有從左至右電流，所以電容C從左至右充電，電容器電壓增大，注意到電容器左端電位不變，所以輸出端電位（電容器右端電位）從0開始降低為負(fù)電壓，Ud（UB運放同相端電位）也就隨著Uo的降低而從正電壓開始降低，到t1時刻，電容器電壓升高到Um，輸出電壓降低到-Um時，Ud降低到0，比較器輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出低電平（注意到比較器比較電壓值為0V），Ub也就立即從+ UD 降到-UD，Ud突然從0降到一個負(fù)電壓（注意到R1和R2串聯(lián)電路兩端電位都是負(fù)值，則這個串聯(lián)電路上任何一點的電位必為負(fù)值），R4上產(chǎn)生一個從右至左的電流，電容器放電，電容電壓降低，輸出電壓升高，Ud電壓也跟著升高，到t2時刻，電容器電荷放完，電容電壓降到0，輸出電壓升高到0，注意到此時Ud還是負(fù)電壓（因為一端為0，一端為負(fù)值，因此中間值必為負(fù)值），所以R4上從右至左的電流繼續(xù)存在，電容器從右至左反向充電，電容器從右至左電壓升高，輸出電壓繼續(xù)升高（此時已為正值），Ud電壓繼續(xù)升高，到t3時刻，電容器從右至左電壓升高到Um，輸出電壓升高到Um，Ud電壓上升到0，比較器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，Ub也跳到+ UD，Ud電壓也從0跳到一個正電壓，R4上有從左至右電流，電容器反向放電，輸出電壓降低，Ud電壓隨著降低，到T4時刻，電容反向放電放完，輸出電壓降到0（注意到Ud并沒降到0），一個周期結(jié)束。從以上分析可知，當(dāng)輸出電壓Uo=Um時，輸出信號開始轉(zhuǎn)折，即Um是最大值，即三角波信號的幅度。而當(dāng)Uo= +Um時，Ud=0，Ub = -Ub，以此計算三角波的幅度。而電阻R1，R2上電流相等，得到下式： 7注意到運算放大器的虛斷路特性，R1和R2電流相等。所以三角波幅度 電容器電壓從0 增加到Um，或者從Um減小到0的過程，就是1/4個周期，即電容器上電壓變化Um時，完成四分之一個周期，以此計算三角波的頻率。 ， 而 ，三角波周期 ， 三角波頻率 幅度與頻率的調(diào)節(jié)：利用改變R1或R2的方法調(diào)節(jié)三角波幅度，利用改變R4的方法調(diào)節(jié)三角波頻率。注意，如果利用改變R1和R2的辦法是可以改變頻率的，但同時也改變了信號的幅度。若發(fā)光二極管采用綠色發(fā)光管，管壓降約為2.0V，設(shè)計幅度為2.5V，則可取R1=15K，R2=12K。設(shè)計頻率為1000Hz，取電容為103，則計算出R4=20K。若發(fā)光二極管采用紅色發(fā)光管，管壓降約為1.8V，設(shè)計幅度為4.0V，則可取R1=22K，R2=10K。設(shè)計頻率為1000Hz，取電容為103，則計算出R4=11.36K，取R4=11K。電路按此參數(shù)安裝元件，計算出電路的三角波信號幅度和頻率結(jié)果如下：電源電壓大小的確定：為了電路的簡單化，電路采用雙電源供電，當(dāng)然正負(fù)電壓對稱。若三角波的幅度為4V，則電源正電壓高于+6V，電源負(fù)電壓低于-6V就可以，但為了留有充分的余量及方便，電源電壓選用正負(fù)12V（為常用電源電壓）。電阻R3的討論，電阻R3是發(fā)光二極管的限流電阻，這個電阻阻值示能取大了，否則電路工作可能不正常。因為要保證電路正常工作，從前面的討論可知，電阻R4上要有穩(wěn)定的充放電電流，大小為Ud / R4，還要讓發(fā)光二極管有一定的導(dǎo)通電流，而讓發(fā)光二極管兩端維持穩(wěn)定的電壓不變，注意到這二個電流都是通過R3的，所以，若電阻R3阻值太大，電流太小，不能給R4和發(fā)光二極管提供足夠的工作電流。那么，電阻R3最大不能超過多少呢？設(shè)發(fā)光二極管是紅色發(fā)光二極管，電壓為1.8V，R4電阻為11K，則電流為1.8/110.164mA，而讓發(fā)光二極管正常導(dǎo)通，設(shè)導(dǎo)通工作電流為最小3mA，則R3上電流不能小于3.164mA，以此計算R3的最大值：（12-1.6-1.8）/ 3.1642.7K。是不是R3越小越好？肯定不是，那么，電阻R3最小不能小于多少呢？因為發(fā)光二極管電流不能大于20mA，所以R3的最小值為：（12-1.6-1.8）/ 20.1640.43K430。本電路取R32K。另外：a點輸出脈沖波，幅度由運放LM358的供電電壓決定，頻率與三角波信號頻率相同。b點輸出脈沖波，幅度由發(fā)光二極管的導(dǎo)通電壓決定，頻率與三角波信號頻率相同。運算放大器UD和電阻R5，R6構(gòu)成輸出三角波信號幅度調(diào)節(jié)電路，通過調(diào)節(jié)R5或者R6的大小可以調(diào)節(jié)輸出信號幅度大小，如固定R5不變，調(diào)節(jié)R6的大小，當(dāng)R6調(diào)大時，電路放大倍數(shù)增大，輸出信號幅度增大，當(dāng)R6調(diào)小時，電路放大倍數(shù)減小，輸出信號幅度減小，注意到這個反相比例放大電路的放大倍數(shù)為 R所以輸出信號幅度為 附 三角波的有效值由下面的推導(dǎo)得出。，設(shè)幅度為Um，則單電源供電電路，電路工作原理與雙電源供電電路完全相同。只不過此時公共端不是接地端，而是利用運算放大器產(chǎn)生一個中間電壓（電壓跟隨器）作為公共端。另外由于動態(tài)范圍只有雙電源供電情況下的一半（）了，因此三角波信號幅度設(shè)計值要相應(yīng)減小，本電路設(shè)計為1.8V。若取電阻R1R210K，則電路三角波信號幅度為若取R410K，電路三角波信號頻率為正弦波信號發(fā)生器 在電子電路中，電路所處理的信號大多為正弦波信號，因此，正弦波信號發(fā)生器是電子電路中的基本電路，是電子電路中使用的最為廣泛的電路之一。因此，要求我們對信號發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)以及工作性能有比較明確的了解。本實踐項目通過連接正弦波發(fā)生器及其測量，進(jìn)一步熟悉正弦波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及性能。本實踐項目的電路采用RC正弦波振蕩器，而描述RC正弦波振蕩器的最主要的物理量就是電路的固有振蕩頻率，根據(jù)RC正弦波振蕩器的理論可知，電路的固有振蕩頻率若取R3=R4，C1=C2，則fO = 1/（2RC）因此，我們只要利用示波器測出RC正弦波振蕩器在工作時所產(chǎn)生的信號頻率，比較實驗測量值在實驗誤差范圍內(nèi)是否與理論值相符，就可從感性上進(jìn)一步了解RC正弦波振蕩器的電路結(jié)構(gòu)以及電路的工作性能。若取R=16K，C=0.01uF，則振蕩頻率fO = 1/（2RC）= 1/（216K*0.01uF）= 1000Hz本電路也可取R3=R4=7.5K，C1=C2=0.022uF，固有振蕩頻率fO約為1000Hz。二極管的作用是穩(wěn)定輸出信號的幅度，因D1，D2的并聯(lián)電阻大約為2R1-R2，而二極管導(dǎo)通電壓大約為0.6V（實際上，二極管導(dǎo)通電壓與導(dǎo)通電流還是有點關(guān)系，有幾十毫安時，電壓取0.8V，幾毫安時，電壓取0.7V，零點幾毫安時，電壓取0.6V），所以輸出信號的幅度大約為 VO = 0.6*/(2R1-R2)*（3R1）本電路取R2=18K，R1=10K，計算得輸出信號幅度大約為 VO = （0.6*/2）*（30）=9.0 (V)二階低通濾波器 電路如圖所示，作為低通濾波器，最重要的是兩個指標(biāo)，一是低通濾波器的截止頻率，二是低通濾波器的幅頻特性。根據(jù)理論分析，如圖所示的二階低通濾波器（取R11=R12=R，C4=C5=C）的截止頻率為對截止頻率初步的理解是，只有當(dāng)信號頻率小于截止頻率的信號才能通過濾波器，而信號頻率高于截止頻率的信號不能通過濾波器。如圖所示的二階低通濾波器（取R11=R12=R，C4=C5=C）的幅頻特性是-40dB/10倍頻。對幅頻特性初步的理解是，負(fù)的分貝數(shù)越大，濾波器濾波性能越好。 本實踐項目電路為了得到更好的濾波效果，采用兩級二階低通濾波器濾波。改進(jìn)型二階低通濾波器的設(shè)計：第一步，在電路中取R11=R12=R，C4=C5=C，首先選定電容C，根據(jù)截止頻率確定R，因為它們之間的關(guān)系為本項目選定截止頻率為1200HZ，取C=0.01uF，計算得電阻R=13.26K，取R=13K。第二步，R3=R13+R14，R4=R15+R16的確定方法，因二階低通濾波器的Q值由下式確定： 取定Q值（取1左右），計算出放大倍數(shù)AuP，本項目取Q=1，則AuP2。根據(jù)放大倍數(shù)和兩個輸入端對外接電阻對稱條件確定R3和R4。 解得 R3 = R4 =-4R = 52K，可用39K和13K串聯(lián)。本實踐項目濾波器的作用，將三角波濾波后得到正弦波。因三角波是周期性的非正弦波，但根據(jù)信號理論，任何周期性的非正弦波都可以認(rèn)為是多種正弦波的組合，這些正弦波稱為基波和諧波，可以用傅立葉級數(shù)求出，一個周期為T（頻率為fo），幅度為Um，對稱時間軸的三角波展開成傅立葉級數(shù)結(jié)果為從以上結(jié)果可以知道，除基波分量外，諧波分量有3fo，5fo，7fo，9fo，等等，但隨著諧波次數(shù)的增加，幅值顯著減小，因此我們可以設(shè)計一個截止頻率比三角波頻率稍為高一點的濾波器，這樣，三角波通過濾波后就只有基波了，其它諧波都被濾波器濾掉了，輸出的就是基波，也就是頻率與三角波頻率相同的正弦波了。濾波器的階數(shù)越高，通過濾波的方法得到的正弦波就越標(biāo)準(zhǔn)，也就是失真度越小。整體電路解說：電路原理如圖所示，運放U1A，U1B及電阻R1，R2，R3，R4，電容C1，二個發(fā)光二極管構(gòu)成脈沖信號及三角波信號發(fā)生器，從點a和占b都可輸出脈沖波，從U1B輸出端輸出三角波，脈沖波的頻率與三角波的頻率相同，都是由R1，R2，R4和C1決定的，其關(guān)系式在前面的討論中已經(jīng)給出了詳細(xì)的結(jié)果。運放U2A構(gòu)成電壓跟隨器，起隔離作用，運放U2B及電阻R5R6R7R8R9R10構(gòu)成低通濾波器，設(shè)計的截止頻率為1200Hz。從圖中可知，讓脈沖波或者三角波信號加到低通濾波器后，這二種波中所包含的諧波成分都被濾掉，就只保留其基波，所以從濾波器輸出的信號為正弦波信號。運放U3A和U3B構(gòu)成的電路與運放U2A和U2B構(gòu)成的電路完全相同，其作用也完全相同，采用二級濾波電路，只不過是讓濾波效果更好。由運放U4A構(gòu)成的電路就是正弦波信號發(fā)生器，在前面已經(jīng)介紹，不再多講。多波形信號發(fā)生器（實踐制作測試部分）仔細(xì)研究電路原理圖，集成塊LM324中有八個運算放大器（四個LM358），弄清楚它們各自的兩個輸入端（同相輸入端的反相輸入端）和一個輸出端，并弄清楚它們各自的作用。一個運算放大器是用于比較器并同時產(chǎn)生脈沖波（注意到比較器的一端電位是固定的，另一端的電位是變化的，分析這一端的電位變化過程是理解本電路工作原理的關(guān)鍵所在）；一個運算放大器是用于積分電路并同時產(chǎn)生三角波（這部分電路的分析主要是電容器的充放電過程的分析以及隨著電容器充放電過程的進(jìn)行其電容器電壓的變化和輸出電壓的變化）；二個運算放大器構(gòu)成一級二階低通濾波器（其中一個運算放大器用于隔離），另二個運算放大器構(gòu)成另一個低通濾波器，一個運算放大器構(gòu)成正弦波信號發(fā)生器，一個運算放大器構(gòu)成正弦波信號的反相比例放大器。電路中，三角波（包括脈沖波）集中頻率可以通過改變電阻R4或電容C1調(diào)節(jié)（在R4旁并電阻或在C1旁并電容），正弦波信號頻率可以通過改變電阻R20而調(diào)節(jié)（在R20旁并電阻），正弦波信號幅度可以通過改變電阻R22而調(diào)節(jié)（在R22旁并電阻）。當(dāng)以上問題弄清以后，試設(shè)計三角波幅度為2.5V，頻率為1000HZ的多波形信號發(fā)生器。將其討論過程以及設(shè)計過程寫入報告中。仔細(xì)研究印刷電路板，在本印刷電路板上將要裝配的器件有：普通1/4W電阻器，瓷片電容器，發(fā)光二極管，運放集成塊LM358，輸入和輸出接口等等。請仔細(xì)研究印刷電路上的圖形或符號，確定各位置所裝配的是何種元件。若是發(fā)光二極管，還要弄清板上的對應(yīng)“+”極和“-”極，對于集成塊LM358，要弄清楚各腳在印刷板上的相應(yīng)位置。仔細(xì)研究元器件，各電阻器及其阻值，精度，功率，電阻阻值可從電阻上所標(biāo)的色碼直接讀出，或者用萬能表的歐姆檔直接測量確定。各瓷片電容的電容量（標(biāo)注在電容上）。各發(fā)光二極管及其”+”-“極。集成塊LM358的腳編號1，2，3，4，5，6，7，8的確認(rèn)。附：元器件表編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格編號規(guī)格R122KR1062KR193KC3103D44148R210KR1110KR2013KC4103S開關(guān)R32KR1218KR2113KC5103U1358R410KR1315KR2213KC6-C11103U2358R57.5KR1415KR2339K10uFU3358R67.5KR1530KR2413K10uFR77.5KR1630KR2539KD1LEDJ3座R815KR177.5KC1103D2LEDR930KR183KC2103D34148 認(rèn)真焊接。按照印刷板上器件編號找到相應(yīng)的元件，按以下順序焊接：電阻，IC座，瓷片電容，發(fā)光二極管，接口。焊接過程中注意以下問題：各發(fā)光二極管”+”-“極。集成塊LM358的腳1，2，3，4，5，6，7，8在印刷板上的對應(yīng)位置。J1要與前后續(xù)電路的輸入輸出電源接口方位相一致，因此要注意其方位。不要接錯電源。仔細(xì)觀察各焊接點，檢查有無短路現(xiàn)象和虛焊現(xiàn)象。認(rèn)真測量。在觀察所焊接的電路板處于正常狀態(tài)后，將12V和-12V電源接入到J1接口。觀察：兩個發(fā)光二極管是否正常發(fā)光。在不改變C1和R4的條件下，用示波器測量三角波信號的幅度和頻率。濾波器分別接入脈沖波和三角波，測量二個濾波器的輸出信號波形。測量正弦波頻率，改變R20(方法是在R20旁邊并上一個電阻)，測量信號頻率。測量正弦波幅度，改變R22(方法是在R22旁邊并上一個電阻)，測量信號幅度。在改變C1和R4的條件下，用示波器測量三角波信號的幅度和頻率。注意：C1和R4的改變方法：在C1的附近有一個標(biāo)注“C1”座子，在此座子上插上電容，這樣就在C1兩端并上了一個電容，從而改變電容值。在R4的附近有一個標(biāo)注“R4”座子，在此座子上插上電阻，這樣就在R4兩端并上了一個電阻，從而改變電阻值。設(shè)計表格并將實驗測量值，理論值，對應(yīng)的可調(diào)電阻，可調(diào)電容值記錄在表格中。