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电流电压转换电路模拟电路课程设计

电流电压转换电路模拟电路课程设计,函数发生器总方案及原理框图1.1 原理框图1.2 函数发生器的总方案函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件如低频信号函数发生器 S101全部采用晶体管，也可以采用集成电路如单片函数发生器模块。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。2．课程设计的目的和设计的任务2.1 设计目的 1．掌握电子系统的一般设计方法 2．掌握模拟 IC 器件的应用3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4．掌握常用元器件的识别和测试 5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法2.2 设计任务设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器2.3 课程设计的要求及技术指标 1．设计、组装、调试函数发生器2．输出波形：正弦波、方波、三角波； 3．频率范围：在 10－10000Hz 范围内可调； 4．输出电压：方波 UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝8V，正弦波 UＰ－Ｐ1V； 3．各组成部分的工作原理 3.1 方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和 RC电路组成。回路既作为延迟环节， RC 又作为反馈网络，通过 RC 充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压 UoUz则同相输入端电位 UpUT。Uo 通过 R3 对电容 C 正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位 n 随时间 t 的增长而逐渐增高，当 t 趋于无穷时，Un 趋于Uz；但是，一旦 UnUt再稍增大，Uo 从Uz 跃变为-Uz与此同时 Up 从Ut 跃变为-Ut。随后，Uo 又通过 R3 对电容 C 反向充电，如图中虚线箭头所示。Un 随时间逐渐增长而减低，当 t 趋于无穷大时，Un 趋于-Uz；但是，一旦 Un-Ut再减小，Uo 就从-Uz 跃变为Uz，Up 从-Ut 跃变为Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。 3.2 方波---三角波转换电路的工作原理 C1 3 U1 R1 3 U2 2 R4 Rp2 4 2 1 50 4 R2 5 1 R3 R17 Rp1 5 50 方波—三角波产生电路 R2 UT Uo 2 m 4 R2 R4 R p 2 C1 R3 Rp1 T R3 R p1工作原理如下：若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即 U-0，同相输入端接输入电压 Uia，R1 称为平衡电阻。比较器的输出 Uo1 的高电平等于正电源电压Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（Vcc-Vee）当比较器的 UU-0时，比较器翻转，输出 Uo1 从高电平跳到低电平-Vee或者从低电平Vee 跳到高电平 Vcc。设 Uo1Vcc则 R2 R3 RP U VCC 1 U ia 0 R2 R3 RP1 R2 R3RP1将上式整理，得比较器翻转的下门限单位 Uia-为 R2 R2 U ia VCC VCC R3 RP1 R3 RP1若Uo1-Vee则比较器翻转的上门限电位 Uia为 R2 R2 U ia VEE VCC R3 RP1 R3 RP1R2比较器的门限宽度 U H U ia U ia 2 I CC R3 RP1由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图 3-71 所示。a点断开后，运放 A2 与 R4、RP2、C2 及 R5 组成反相积分器，其输入信号为方 1 R4 RP2 C2波Uo1，则积分器的输出 Uo2 为 U O 2 U O1dt VCC VCC U O1 VCC 时， U O 2 t t R4 RP2C2 R4 RP2 C2 VEE VCC U O1 VEE 时， U O 2 t t R4 RP2 C2 R4 RP2C2可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。 R2 三角波的幅度为 U O 2 m VCC R3RP1方波-三角波的频率 f 为 R3 RP f 1 4 R2 R4 RP2 C2由以上两式可以得到以下结论：1. 电位器 RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用 C2 改变频率的范围，PR2实现频率微调。2. 方波的输出幅度应等于电源电压Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压 Vcc。电位器 RP1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。 3.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，aI 0传输特性曲线的表达式为： I C 2 aI E 2 1 e U id / U T aI 0 I C 1 aI E 1 1 eU id / U T式中 a IC / I E 1 I 0 ——差分放大器的恒定电流； U T ——温度的电压当量，当室温为 25oc 时，UT≈26mV。如果 Uid 为三角波，设表达式为 4U m T T T t 4 0 t 2 U id 4U m t 3T T T 4 t T 2式中 Um——三角波的幅度； T——三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2）三角波的幅度 Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中 Rp1 调节三角波的幅度， Rp2 调整电路的对称性，其并联电阻 RE2 用来减小差分放大器的线性区。电容 C1C2C3 为隔直电容，C4 为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 VCC -12V R5 R6 C5 C2 IO2 C4 R12 R14 R7 R13 50 R8 R9 R11 VCC -12V 三角波—正弦波变换电路3.4 电路的参数选择及计算 1.方波-三角波中电容 C1 变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C2 从 10uf（理论时可出来波形）换成 0.1uf 时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当 C210uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2.三角波-正弦波部分比较器 A1 与积分器 A2 的元件计算如下。 R2由式（3-61）得 U O 2 m VCC R3 RP1 R2 U 4 1即 O 2m R3 RP1 VCC 12 3取 R2 10K ，则 R3 RP1 30 K ，取 R3 20 K ，RP1 为 47KΩ的电位器。区平衡电阻 R1 R2 // R3 RP1 10 K R3 RP由式（3-62） f 1 4 R2 R4 RP2 C2 R3 RP即 R4 RP1 1 4 R2 C2当 1H Z f 10 时，取 C2 10 F ，则 R4 RP2 75 7.5k ，取 R4 5.1k ，为 100KΩ电位器。当 10 H Z f 100 时，取 C2 1 F 以实现频率波段的转换，R4 及 RP2 的取值不变。取平衡电阻 R5 10k 。三角波—正弦波变换电路的参数选择原则是： C4、隔直电容 C3、 C5 要取得较大，因为输出频率很低，取 C3 C4 C5 470 F ，滤波电容 C6 视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多， 6 可取得较小， 6 一般为几十皮法至 0.1 微法。 C C RE2100欧与 RP4100 欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整 RP4 及电阻 R确定。3.5 总电路图 VCC 12V C1 R5 R6 C5 3 U1 R1 3 U2 C2 2 R4 Rp2 C4 4 2 C3 1 50 4 R10 R12 R2 5 1 R17 50 R14 R7 R3 Rp1 5 50 R13 50 R8 R9 R11 VCC1 -12V 三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，*后通过差分放大器形成正弦波。

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