簡易信號發(fā)生器課程設(shè)計1.doc

2011 2012學(xué)年 第二學(xué)期 簡易信號發(fā)生器 課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 簡易信號發(fā)生器設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 10電氣工程本一班 姓 名： 李鵬、王松、薛冬冬、湯聰、戚傳東、劉歡馮登宇、張正義、靳壘壘、楊磊 指導(dǎo)教師： 江春紅 電氣工程系2012年5月04日 1、任務(wù)書課題名稱簡易信號發(fā)生器指導(dǎo)教師（職稱）江春紅 執(zhí)行時間20112012 學(xué)年第 2 學(xué)期 第 11 周學(xué)生姓名學(xué)號承擔任務(wù)李鵬1009141045設(shè)計方案的猜想、方案二的總體設(shè)計、報告的書寫王松1009141095方案一的總體設(shè)計分析馮登宇1009141021ICL8038（5G8038）工作原理總結(jié)薛冬冬1009141109仿真及電路圖的分析楊磊1009141113正弦波部分的設(shè)計分析劉歡1009141053簡易信號發(fā)生原理的總結(jié)張正義1009141127簡易信號發(fā)生原理的總結(jié)湯聰1009141081三角波部分的設(shè)計分析戚傳東1009141069方波部分的設(shè)計分析靳壘壘1009141039查找元器件類型及用法及仿真設(shè)計目的1、 掌握信號發(fā)生器的設(shè)計方法和測試技術(shù)2、 了解單片函數(shù)發(fā)生器IC8038的工作原理和應(yīng)用。3、 學(xué)會安裝和調(diào)試分立元件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)。設(shè)計要求1、 電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；2、輸出信號頻率范圍：1HZ-10HZ 10HZ-100HZ;輸出電壓：方波Vp-p=1V;方波tr 小于100nS -1-簡易信號發(fā)生器設(shè)計摘 要信號發(fā)生器是工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)研究等領(lǐng)域必備的工具，它產(chǎn)生的鋸齒波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本測試信號。它根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，其電路中使用的器件可以是分離器件，也可以是集成器件，產(chǎn)生方波、正弦波、三角波的方案有多種，如先產(chǎn)生正弦波，根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關(guān)系，再通過整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣āＲ部梢韵犬a(chǎn)生三角波-方波，再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，新材料新器件層出不窮，開發(fā)新款式函數(shù)信號發(fā)生器，器件的可選擇性大幅增加，例如ICL8038，Max038以及國產(chǎn)的5G8038就是一種技術(shù)上很成熟的可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，可選擇的方案多種多樣，技術(shù)上是可行的。 通過這次設(shè)計，我們的理論知識掌握得更扎實，動手能力明顯提高。同時，通過網(wǎng)上搜索等多方面的查詢資料，我們學(xué)到許多在書本上沒有的知識，也認識到理論聯(lián)系實踐的重要。理論學(xué)得好，但如果只會紙上談兵，一點用都沒有。以后也很難找到工作。通過本次設(shè)計能使我們對電子工藝的理論有了更進一步的系統(tǒng)了解。我們了解到了設(shè)計小電子產(chǎn)品的一些常規(guī)方法，以及培養(yǎng)了我們團隊合作的能力，在討論設(shè)計方案，計算元件參數(shù)，購買元件，制作電路板，安裝調(diào)試方面都體會到了團隊的力量。本次課程設(shè)計的課題是簡易信號發(fā)生器，本課程設(shè)計將簡易信號的工作原理、參數(shù)計算、元件選取等做詳細的介紹和說明。關(guān)鍵詞：正弦波；方波；三角波；ICL8038（5G8038）；比較器；函數(shù)信號發(fā)生器 -2-目錄第一章、方案設(shè)計準備41.1設(shè)計方案猜想 4 1.2設(shè)計用的主要器件4 1.3設(shè)計報告要求4 1.4設(shè)計總結(jié) 4第二章、正文52.1簡易信號發(fā)生的基本原理 5 2.2方案一 8 2.3方案二9 2.4可行性分析11第三章、參數(shù)確定12 3.1正弦波部分12 3.2方波和三角波部分12第四章、運行結(jié)果分析12 4.1正弦波結(jié)果分析13 4.2方波結(jié)果分析14 4.3三角波結(jié)果分析15第五章、附錄175.1元件清單 17 5.2參考文獻17（仿真結(jié)果分析還需詳細寫） -3-第一章、方案設(shè)計準備2.1、設(shè)計方案猜想2.1.1、設(shè)計方案可先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變成方波 ，再由積分電路將方波變成三角波；也可先產(chǎn)生三角-方波，再將三角波變成正弦波。如下框土所示。 你下面的論文不是按下圖進行設(shè)計的，下圖沒有意義啊 方波 三角波 正弦波積分器比較器差分放大器2.1.2、用單片集成芯片IC8038實現(xiàn)，但這種方案要求幅度和頻率都可調(diào)，可采用數(shù)字電位器加程控放大器實現(xiàn)。2.2、設(shè)計用的主要器件：雙運放UA747（或7412一只）、差分管3DG100四個；IC8038、數(shù)字電位器一個；電阻電容若干。2.3設(shè)計報告要求2.3.1選定設(shè)計方案；2.3.2擬出設(shè)計步驟，畫出設(shè)計電路，分析計算主要元件參數(shù)值；2.3.3列出測試數(shù)據(jù)表格；2.3.4進行總結(jié)和分析，并寫出設(shè)計性報告。2.4、設(shè)計總結(jié)2.4.1、總結(jié)信號發(fā)生器的設(shè)計和測試方法；2.4.2、總結(jié)設(shè)計信號發(fā)生器所用的知識點； -4-第二章、正文2.1簡易信號發(fā)生器基本原理2.1.1函數(shù)發(fā)生器的組成函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。2.1.2正弦波產(chǎn)生電路 正弦波振蕩電路的振蕩條件；2.1.3 RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）圖31為RC橋式正弦波振蕩器。其中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，R1、R2、RW及二極管等元件構(gòu)成負反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變負反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負半周對稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。電路的振蕩頻率 -5-起振的幅值條件 2 式中RfRWR2（R3 / rD），rD 二極管正向?qū)娮?。調(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)RW），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋太強，應(yīng)適當加大Rf。如波形失真嚴重，則應(yīng)適當減小Rf。改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細調(diào)。圖21 RC橋式正弦波振蕩器2.1.4方波發(fā)生器由集成運放構(gòu)成的方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。圖3-2所示為由滯回比較器及簡單RC 積分電路組成的方波三角波發(fā)生器。它的特點是線路簡單，但三角波的線性度較差。主要用于產(chǎn)生方波，或?qū)θ遣ㄒ蟛桓叩膱龊稀ｋ娐氛袷庮l率式中R1R1RW R2R2RW 方波輸出幅值 UomUZ三角波輸出幅值 -6- 調(diào)節(jié)電位器RW（即改變R2R1），可以改變振蕩頻率，但三角波的幅值也隨之變化。如要互不影響，則可通過改變Rf（或Cf）來實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。圖22 方波發(fā)生器2.1.5三角波和方波發(fā)生器如把滯回比較器和積分器首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖33 所示，則比較器A1輸出的方波經(jīng)積分器A2積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構(gòu)成三角波、方波發(fā)生器。圖34為方波、三角波發(fā)生器輸出波形圖。由于采用運放組成的積分電路，因此可實現(xiàn)恒流充電，使三角波線性大大改善。 圖2-3 三角波、方波發(fā)生器 -7-電路振蕩頻率 方波幅值 UomUZ 三角波幅值 調(diào)節(jié)RW可以改變振蕩頻率，改變比值可調(diào)節(jié)三角波的幅值。圖24方波、三角波發(fā)生器輸出波形圖2.2方案一利用比較器積分器設(shè)計電路總體電路如下 -8-2.3方案二（由于仿真沒有找到ILC8038所以用5G8038代替）2.3.1、5G8038管腳特點5G8038是上海元件五廠生產(chǎn)的，而國外生產(chǎn)的同類產(chǎn)品ICL8038的性能特點要優(yōu)于以互換使用。5G8038引腳排列如圖1所示。管腳特點：腳1、12：正弦波失真度調(diào)節(jié)；腳2：正弦波輸出；腳3：三角波輸出；腳4、5：方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)；腳6（V）：正電源10V18V；腳7：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏2.3.2、5G8038工作原理5G8038多功能函數(shù)發(fā)生器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2和工作原理如圖2所示。 -9-其中，振蕩電容C由外部接入，它是由內(nèi)部兩個恒流源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態(tài)是由恒流源1對電容器C連續(xù)充電，增加電容電壓，從而改變比較器的輸入電平，比較器的狀態(tài)改變，帶動觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來連續(xù)控制的。當觸發(fā)器的狀態(tài)使恒流源2處于關(guān)閉狀態(tài)，電容電壓達到比較器1輸入電壓規(guī)定值的23倍時，比較器1狀態(tài)改變，使觸發(fā)器工作狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將模擬開關(guān)K由B點接到A點。由于恒流源2的工作電流值為2I，是恒流源1的2倍，電容器處于放電狀態(tài)，在單位時間內(nèi)電容器端電壓將線性下降，當電容電壓下降到比較器2的輸入電壓規(guī)定值的13倍時，比較器2狀態(tài)改變，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)回到原來的狀態(tài)，這樣周期性的循環(huán)，完成振蕩過程。在以上基本電路中很容易獲得3種函數(shù)信號，假如電容器在充電過程和在放電過程的時間常數(shù)相等，而且在電容器充放電時，電容電壓就是三角波函數(shù)，三角波信號由此獲得。由于觸發(fā)器的工作狀態(tài)變化時間也是由電容電壓的充放電過程決定的，所以，觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生方波函數(shù)信號，在芯片內(nèi)部，這兩種函數(shù)信號經(jīng)緩沖器功率放大，并從管腳3和管腳9輸出。適當選擇外部的電阻RA和RB和C可以滿足方波函數(shù)等信號在頻率、占空比調(diào)節(jié)的全部范圍。因此，對兩個恒流源在I和2I電流不對稱的情況下，可以循環(huán)調(diào)節(jié)，從最小到最大，任意選擇調(diào)整，所以，只要調(diào)節(jié)電容器充放電時間不相等，就可獲得鋸齒波等函數(shù)信號。正弦函數(shù)信號由三角波函數(shù)信號經(jīng)過非線性變換而獲得。利用二極管的非線性特性，可以將三角波信號的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非線性網(wǎng)絡(luò)是由4級擊穿點的非線性逼近網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。一般說來，逼近點越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在實測中得到正弦信號的失真度可達05左右。其精度效果相當滿意。 -10-電路圖如下圖是由A741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當8腳與一連續(xù)可調(diào)的直流電壓相連時，輸出頻率亦連續(xù)可調(diào)。當此電壓為最小值（近似為0）時。輸出頻率最低，當電壓為最大值時，輸出頻率最高；由于5G8038本身的線性度僅在掃描頻率范圍10：1時為0.2%，更大范圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，所以控制電壓經(jīng)A741后再送入5G8038的8腳，這樣會有效地改善壓控線性度（優(yōu)于1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時輸出頻率可由下式?jīng)Q定： f=0.3/RC4 設(shè)函數(shù)發(fā)生器最高工作頻率為100Hz，定時電容C4可由上式求得。 電路中RP3是用來調(diào)整高頻端波形的對稱性，而RP2是用來調(diào)整低頻端波形的對稱性，調(diào)整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩(wěn)壓管VDz是為了避免8腳上的負壓過大而使5G8038工作失常設(shè)置的。2.3、可行性分析：以上兩種方案中，方案一使用整形電路和積分電路通過波形轉(zhuǎn)換而實現(xiàn)的。而方案二采用集成芯片使得電路大大簡化，但是由于實驗室條件、自身仿真軟件的問題及成本的限制，我們拋棄了第二種方案，因為它是犧牲了成本來換取的方便。其次是方案一中用的是電容和電阻運放和三極管等電器原件，而方案二需要ICL8038(5G8038)及數(shù)字電位器，所以從簡單而且便于購買的前提出發(fā)我們選擇方案一為我們最終的設(shè)計方案。-11- 第三章參數(shù)確定從電路的設(shè)計過程來看電路分為三部分：正弦波部分方波部分三角波部分3.1正弦波部分由于我們選取差分放大電路對三角波正弦波進行變換，首先要完成的工作是選定三極管，我們現(xiàn)在選擇KSP2222A型的三極管，其靜態(tài)曲線圖像如右圖所示。 根據(jù)KSP2222A的靜態(tài)特性曲線，選取靜態(tài) 工作區(qū)的中心由直流通路有：20 k k因為靜態(tài)工作點已經(jīng)確定，所以靜態(tài)電流變成已知。根據(jù)KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大?。嚎傻?3.2方波部分與三角波部分參數(shù)的確定根據(jù)性能指標可知由,可見f與c成正比，若要得到1Hz10Hz，C為10。10Hz100Hz,C為1。則=7.5k75k，則=5.1k則=2.4k或者=69.9 k-12-取100 k由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為4v和1v，有=10k則47 k，=20 k根據(jù)方波的上升時間為兩毫秒，查詢運算放大器的速度，可以選擇74141型號的運放。由此可得調(diào)整電阻：第四章、運行結(jié)果分析4.1正弦波結(jié)果分析4.1.1正弦波發(fā)生電路的設(shè)計。本電路用RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波。其電路圖如下： 4.1.2仿真后的正弦波4.2方波結(jié)果分析4.2.1方波發(fā)生電路設(shè)計4.2.2仿真后的方波-14-4.3三角波結(jié)果分析 4.1.1三角波發(fā)生電路設(shè)計4.1.2仿真后的三角波-15-16-五、附錄4.1元件清單4.2參考文獻童詩白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M 北京： 高等教育出版社 2006. 胡宴如 模擬電子技術(shù)M北京：高等教育出版社 2008.1王艷春電子技術(shù)實驗與Multisim仿真M 合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社2011.4 -17-結(jié)論在小組成員的共同努力合作下，我們已經(jīng)成功完成對三角波、正弦波