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1、压控阶梯波发生器基于运放的信号发生器设计 北京工业大学 课程设计报告 学院专业 通信工程 班级 120241 组号 14 题目1、 压控阶梯波发生器 2、 基于运放的信号发生器设计 姓名 周文晨 学号 12024128 指导老师 成绩 2014 年 05 月 29 日 压控阶梯波发生器 【实验名称】压控阶梯波发生器 【设计任务】在规定时间内设计并调试一个由电压控制的阶梯波发生器。 【设计要求】 1、输出阶梯波的频率能被输入的直流电压所控制，频率控制范围为600Hz-1000Hz。 2、输出阶梯波的台阶数为10级，且比例相等。 3、输出阶梯波的电压为1V/级。 4、输入控制电压的范围为0.5V至
2、6V。 5、电路结构简单，所用原器件尽量少，成本低。 【调试要求】利用实验室设备和指定器件进行设计，组装和调试，达到设计的要求，写出总结报告 仿真图，草图，电路图附本实验的报告后 【参考元器件】 1、运算放大器uA741,LM324，LM358. 2、TTL电路74LS20，74LS161 ，74LS175。 3、CMOS缓冲器CD4010 4、稳压管 二极管 5、电阻 电容 电位器 设计思路 一：输出阶梯波的台阶数为十阶 想法：采用十进制计数器，确保每十个时钟信号后清零。选取74LS161芯片 二：输出阶梯波每阶比例相等，电压为1V/阶 想法：采用权组网路，将数字信号转化为模拟信号 运用放大
3、器，将输出信号放大以满足要求。选取运算放大器LM358芯片 另外，74LS161是单纯的计数功能芯片，带负载能力很弱。对于后面串上的几十千欧级的电阻显得力不从心。用万用表实测74LS161输出管脚的电压值，也确实发现高电平对应的实际电压值并不恒定。为改善这样的情况，需把74LS161输出加到74LS175上，再把74LS175的输出加到CD4010上CD4010是缓冲器，可以把不稳的输入电压缓冲为稳定的输出电压，而且电流加大，大大加强了带负载的能力。74LS175和CD4010共同组成了缓冲器，虽然对电路的逻辑功能没有影响，但却是实现电路功能不可或缺的一部分。 综上所述，电路应分为压频转换波分
4、、计数部分、全电阻网络部分和信号放大部分。我们选取的芯片为：LM358、74LS161、74LS175、CD4010 元器件清单 仿真设计与验证 仿真电路图为： 首先对压控振荡器进行测试。用示波器观察CLK信号，发现电源V1确实能对CLK进行频率控制，仿真成功。 在仿真中，为方便起见，计数器直接采用74LS161，74LS161送出的结果直接加到权电阻上，经倒相后，得到了阶梯波形。 直流电源用来提供稳定的电流；压控振荡器产生方波，其频率主要由输入电压决定；十进制计数器作为数模转换器的开关，通过数模转换器送出反向的阶梯波；通过反相器，最终得到正向的十阶波形。 实验过程 我们首先用万用表对元器件进
5、行测试，确定元器件完好。然后测试面包板，确定面包板的横向、纵向导通状态，然后按照所设计的电路图进行布线，我们为了查线简单，保证插线时不绕线，不搭桥。然后按照电路原理图连线。对每个模块可以分别连线然后分别检查。确定各个模块功能无误之后再对各模块连接以检查模块间的匹配问题。 在这个思路下，我们首先对压控振荡模块进行了调试。由于压控振荡模块是按照标准图连线的，所以其调试比较简单，主要集中在输入电压与输出频率的匹配上。最终我们把电容选择为1nf，再对滑动变阻器进行调节，得到了题目要求的电压频率关系。 对计数器的调试。为体现分模块化的设计思想。调试计数器部分时输入脉冲选择的是实验板上的单步脉冲，然后将四
6、个输出端对应接到实验板的数码管上。显示十进制计数。 然后是对DA转换的调试。过对权电阻数模转换电路的分析。经过上面的调试，各块都已经工作正常了，压控振荡模块的输出上加了一个CD40106集成施密特触发器。施密特触发器能够把不标准的脉冲整形，成为标准的矩形波，从而可以被74LS161识别出来。波形终于正常了。我们通过这一系列的实验过程，最终达到要求，出现可爱的阶梯波。 数据记录 输入输出数据 整体电路和部分波形图 课设感悟 这是第一次老师让自己动手给定一个课题，让我们自己完成设计，仿真到接电路，出实验结果。对我和搭档来说都是一个巨大的挑战。 首先，我先查阅了相关期刊，看看别人是如何实现的，通过期
7、刊的学习，我初步了解了阶梯波的实现可以分成几个模块来实现，对每个模块进行研究，其实阶梯波实验中计数器部分和压频转换，运放放大部分在咱们上学期的电子技术试验课上，张老师都有教授，我们做的是需要把每个部分整合联系在一起，同时将以前的模电数电知识重新捡起来对自己是一个温故而知新的过程。 在电路图画好之后，我们开始连线。我们连了两遍板子，因为我们的布线杂乱无章，导致第一部分压频转换的波形就没有出来，一气之下，我把所有的线都拔了，重新开始连，我本着不交叉，不重叠，尽量走直线，电源和地线都另外接到小长版上，结果第一二部分很快就出结果了。我们在第三部分计数器波形出不来，我又查了一下线，发现其中一个线和电源线
8、查到一块了，还导致了我们的一个二极管烧了。还好发现及时，我们赶紧改线。后面的一系列在短短一个小时就出来了，当波形出来那一刻，真的特别自豪，开心，觉得自己每天往实验室跑都是有意义的。 当我们的波形出来后，请张老师来看我们的波形结果，张老师说我们的阶梯波不满足电压为1V/级，让我们再调调。于是，我思考了一下，觉得需要把正反馈倍数用电位器调节，结果就满足了老师的要求。 这次试验让我系统的了解了阶梯波的设计原理，同时也增加了我接下来模电课设的信心！ 基于运放的信号发生器设计 【实验名称】基于运放的信号发生器设计 仿真图，电路图，草图附在本试验的报告后 【设计任务】 本课题要求使用集成运算放大器制作正弦
9、波发生器，在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激振荡而产生正弦波输出电路。经过波形转换可以产生同频三角波，方波信号。 【设计要求】 使用一片LM324，采用经典振荡电路，产生正弦信号，频率范围360HZ100KHZ。输出信号幅度可调，使用单电源供电以及增加输出功率。 【扩展要求】 1. 扩大信号频率的范围 2.增加输出功率 3.具有输出频率的显示功能 【参考元器件和芯片】 LM324，电位器，电阻，电容若干。 【课题说明】 LM324芯片中包含四个运算放大器，其中一个运算放大器用于振荡电路，两个运算放大器用于电路放大，一个运算放大器用于功率输出。 设计思路 整体设计思路： 振荡电路部分两级放
10、大部分功率输出部分=>符合要求的正弦波 使用运算放大器LM324，组成由基本放大电路，选频网络，正反馈网络构成的经典振荡电路，产生自激振荡的正弦波。使用同轴电位器，对信号的频率范围进行调节，使其在360Hz100kHz时可产生输出信号幅值基本稳定的正弦波。尽量使用单电源供电以及增加输出功率等要求。 元器件清单 LM324的介绍： 2-kV ESD Protection for: ? LM224K, LM224KA ? LM324K, LM324KA ?LM2902K, LM2902KV, LM2902KAV Wide Supply Ranges ? Single Supply . . .
11、 3 V to 32 V (26 V for LM2902) ? Dual Supplies . . .1.5 V to16 V (13 V for LM2902) Low Supply-Current Drain Independent of Supply Voltage . . . 0.8 mA Typ Common-Mode Input Voltage Range Includes Ground, Allowing Direct Sensing Near Ground Low Input Bias and Offset Parameters ? Input Offset Voltage
12、. . . 3 mV Typ A Versions . . . 2 mV Typ ? Input Offset Current . . . 2 nA Typ ? Input Bias Current . . . 20 nA Typ A Versions . . . 15 nA Typ Differential Input Voltage Range Equal to Maximum-Rated Supply Voltage . . . 32 V (26 V for LM2902) Open-Loop Differential Voltage Amplification . . . 100 V/
13、mV Typ Internal Frequency Compensati 详细设计过程 正弦波发生部分： 经典振荡器部分由基本放大电路，选频网络，正反馈网络组成。其中，基本放大电路作用：使电路获得一定幅值的输出量；选频网络作用：确定电路的振荡频率，保证电路产生正弦波振荡；正反馈网络作用：在振荡电路中,当没有输入信号的情况下,输入正反馈信号作为输入信号。 RC桥式正弦波振荡电路原理 两级放大电路： 由于LM324的增益带宽为一定值, 查使用手册知约为1.5MHZ。因此, 如果要提高增益则带宽将减小。所以为了达到较高放大倍数又要有足够的宽频带，我们可以采用了二级放大器来实现, 两级均采用反相放大器
14、。第一级级放大器的放大倍数小于第二级的放大倍数,我们的两级放大倍数设计的总放大倍数约为800倍，但是我们在后期连接与调试过程中，调整了第一级的放大倍数，最终确定的总的放大倍数大约为600多倍。 、 单电源部分： 正常一般采用双电源供电, 这时它的4脚接正电源这里正电源电压为+12V, 11脚接负电源-12V。我们根据题目要求改用单电源,将电路原来接正电源的地方仍旧接正电源, 原来接地的地方改接1/2(VCC),通过+12V利用吊电阻分压得到。最终实现了单电源供电。 仿真设计与验证 仿真电路图为： 波形参数： 实验过程 我们首先用万用表对元器件进行测试，确定元器件完好。然后测试面包板，确定面包板
15、的横向、纵向导通状态，然后按照所设计的电路图进行布线，我们为了查线简单，保证插线时不绕线，不搭桥。然后按照电路原理图连线。 实验过程产生多种失真现象，“刺突状” 失真尤为突出，示意如下： 具体波形： 实际的波形实践起来效果并不理想，振荡频率不高及停振，尤其是在使用LM324制作振荡器时波形出现严重失真。我们组查阅资料， 整理出了常见的正弦波失真问题及解决方法： 削波失真： 该种失真的明 显特点是波形顶部变得平 直。波形的幅度很大，接近 电源电压。造成这种失真的 原因，大多是反馈电阻值过 大，使电路的增益过大，致 使输出电压峰值太大，严重时会随着反馈电阻值的增大，输出波形将变得极像方波。解决这种
16、失真的方法：减小反馈网络的总电阻 而过分地减小又将使电路不能起振，因此它的大小非常关键，在不确定电阻值大小的情况下，可先使用电位器代替，通过细调电位器，将波形调到一个最好效果即可。 停振现象： 在实际制作中，由于元器件本身的质量和精度问题，也会使振荡器的制作效果大打折扣在电路中，我们需要调节同轴双联电位器来改变输出正弦波的频率。顾名思义，双联同轴电位器是由两个电位器组成，通过调节同一个轴达到同步调节两个电阻值的目的器件。但在实际中，我们发现，双联同轴电位器的两个电阻值并不能时刻保持相等，而是有一个差值，有时候这个差值很大，可达数干欧姆。差值的存在造成了振荡器在高频时出现停振现象，也就是说。振荡
17、器的输出信号不能达到较高的频率。在这种情况下，我们当然可以更换精度和质量更好的双联同轴电位器来解决。但为节省成本，我们在实践中发现，如果用两个小、电阻分别与双联同轴电位器的两个可变电阻串联，停振问趣即可得蓟狼好的解决，从而使得振荡器的频率得到显著提高。 “刺突状” 失真： 这种失真是在使用集成运放LM324制作正弦波振荡器时无法避免的棘手问题。一个简单有效的解决办法是，用一只适当阻值的电阻连接在输出端与负电源v 之间，这样可以改善输出端波形的失真，而且随着频率的改变信号的幅度基本稳定。 稳幅：由于Uo与Uf 具有良好的线性关系，所以为了稳定输出电压的幅度。一般在电路中加入非线性环节。这里在回路
18、串联两个反向并联的二极管，利用电流增大时二极管动态电阻减少的特点。加入非线性环节。从而使输出电压稳定。 经过不断地调试，检查，我们最终终于出现了理想的波形： （八）总体电路 心得体会 经历了短短一学期的课程设计，我觉得自己收获了不少。在过去的学习中，我们学到的都是专业理论知识，而现在课程设计就是专业知识的综合运用。通过这两次数电和模电的课程设计，我深深地体会到，做任何事情都必须耐心细致，高度负责，认真对待。在设计的过程中，也遇到了一些问题，一遍遍的和同学讨论，向老师询问，一遍一遍修改电路，查出原因所在，通过这次课程设计，巩固了上学期学过的正弦波产生方法，增加了运放应用知识。此次设计也让我明白了有什么不懂不明白的地方要及时向老师同学请教或上网查询，不要一味自己琢磨，多与他人交流，避免做无用功。只要认真钻研，动脑思考，动手实践，就没有弄不懂的知识。另外，在这两次数电模电的课程设计中，我还学会了熟练应用Multisim软件绘制电路图以及进行模拟仿真，这也是一个重要的收获。 基于运放的信号发生器设计 仿真图 - 19 -