基于protel的函数发生计的设计 - 图文(2)

武汉理工大学《protel课程设计》

2.函数发生器设计原理

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。

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。

2.1方波——三角波转换电路工作原理

S1C1SW SPSTS2C2C3VCCSW SPDT+120.1uf1uf0.01ufR1R210K10KA1A2R320kVEER510k-12R45.1KRP2100kRP150k

图2.1 方波——三角波转换电路原理图

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图2.2 比较器电压传输特性

图2.3 方波—三角波

工件原理如下：

若R2与运算放大器A2间的导线断开， 运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，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U+=U-=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Uo1=+Vcc,则 U??R3?RPR21 (?VCC)?Uia?0 （2-1）

R2?R3?RPR?R?RP1231将上式整理，得比较器翻转的下门限单压Uia-为 Uia???R2?R2(?VCC)?VCC （2-2）

R3?RPR3?RP11若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电压Uia+为 Uia??

?R2R2(?VEE)?VCC （2-3）

R3?RPR3?RP116

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比较器的门限宽度UH?Uia??Uia??2R2（2-4） ICC

R3?RP1由式（2-1）到（2-4）式可得比较器的电压传输特性，如图2.2所示。

当比较器的门限 电 压为 Via+ 时输出Vo1为高电平（+Vcc)。这时积分器开始反向积分，三角波Vo2 线性下降。

当Vo2下降到比较器的下门限 电 位 Via－ 时，比较器翻转，输出Vo1由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分，Vo2线性增加。

如此反复，就可自动产生方波-三角波。

导线8断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出 Uo2为UO2??1 UO1dt （2-5）

(R4?RP2)C2??(?VCC)?VCC t?t （2-6）

(R4?RP2)C2(R4?RP2)C2VCC?(?VEE) t?t （2-7）

(R4?RP2)C2(R4?RP2)C2 UO1??VCC时，UO2?UO1??VEE时，UO2?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，其波形关系图2.3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。三角波的幅度为 UO2m?方波-三角波的频率f为 f?R3?RP1 （2-9）

4R2(R4?RP2)C2R2 VCC （2-8）

R3?RP1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。

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2.2三角波——正弦波转换电路工件原理

可以通过低通滤波电路，或者带通滤波电路实现三角波和正弦波的转换。

VCCRc110KRc210KC70.1ufC6470ufC4C5T19013470uf470ufRb16.8KRP3Re2100Rb26.8KT2901350KRP4100T39013T49013R128KRe32KRe42KVEE

图2.4三角波—正弦波转换电路的工件原理图

工作原理如下：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，传输特性曲线的表达式为：

IC2?aIE2?aI0 Uid/UT （2-10）

1?e （2-11）

IC1?aIE1aI0?1?e?Uid/UT式中 a?IC/IE?1

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I0——差分放大器的恒定电流；

UT——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

?4Um?T??T?t?4????Uid??

??4Um?t?3T??T4??T??0?t???2?? （2-12） ??T???t?T????2?式中 Um——三角波的幅度； T——三角波的周期。

用计算机对式（2-12）进行计算，打印输出的ic1(t)或ic2(t)曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压vc1(t)、vc2(t)亦近似于正弦波，波形变换过程如图2-5所示：

（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2.4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C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

图2.5三角波-——正弦波变换原理

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