正弦波-方波-三角波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、 蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)課設(shè)名稱 正弦波方波三角波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)組長(zhǎng) 李為 學(xué)號(hào) 1232106101組員 謝淵博 學(xué)號(hào) 1232106102組員 張翔 學(xué)號(hào) 1232106104專 業(yè) 電子物聯(lián)網(wǎng) 指導(dǎo)教師 二一二年七月模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)一設(shè)計(jì)課題名稱正弦波方波三角波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)二課程設(shè)計(jì)目的、要求與技術(shù)指標(biāo)2.1課程設(shè)計(jì)目的（1） 鞏固所學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)；（2） 實(shí)踐所掌握的電子制作技能；（3） 會(huì)運(yùn)用EDA工具對(duì)所作出的理論設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真測(cè)試,進(jìn)一步完善理論設(shè)計(jì)；（4） 通過(guò)查閱手冊(cè)和文獻(xiàn)資料,熟悉常用電子器件的類型和特性,并掌握合理選用元器件的原則；

2、（5） 掌握模擬電路的安裝測(cè)量與調(diào)試的基本技能,熟悉電子儀器的正確使用方法,能力分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的正常或不正?，F(xiàn)象(或數(shù)據(jù))獨(dú)立解決調(diào)試中所發(fā)生的問(wèn)題；（6） 學(xué)會(huì)撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)報(bào)告；（7） 培養(yǎng)實(shí)事求是,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和嚴(yán)肅的工作作風(fēng)；（8） 完成一個(gè)實(shí)際的電子產(chǎn)品，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。2.2課程設(shè)計(jì)要求（1） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實(shí)驗(yàn)室條件設(shè)計(jì)出電路圖，分析工作原理，計(jì)算元件參數(shù)；（2） 列出所有元器件清單；（3） 安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路，達(dá)到設(shè)計(jì)要求；2.3技術(shù)指標(biāo)（1） 輸出波形：方波三角波正弦波；（2） 頻率范圍：100HZ200HZ連續(xù)可調(diào)；（3） 輸出電壓：正弦波-方波的輸出信

3、號(hào)幅值為6V.三角波輸出信號(hào)幅值為02V連續(xù)可調(diào)；（4） 正弦波失真度：。三系統(tǒng)知識(shí)介紹3 函數(shù)發(fā)生器原理本設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生三種不同的波形分別為正弦波 方波 三角波 。實(shí)現(xiàn)該要求有多種方案。方案一：首先產(chǎn)生正弦波，然后通過(guò)整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波。方案二：首先產(chǎn)生方波三角波，再將方波變成正弦波或?qū)⑷遣ㄗ兂烧也ā?.1 函數(shù)發(fā)生器的各方案比較 我選的是第一個(gè)方案，上述兩個(gè)方案均可以產(chǎn)生三種波形。方案二的電路過(guò)多連接部方便而且這樣用了很多元器件，但是方案的在調(diào)節(jié)的時(shí)候比較方便可以很快的調(diào)節(jié)出波形。方案一電路簡(jiǎn)潔利于連接可以節(jié)省元器件，但是在調(diào)節(jié)波形的時(shí)候會(huì)比較費(fèi)力，

4、由于整個(gè)電路時(shí)一起的只要調(diào)節(jié)前面部分就會(huì)影響后面的波形。四電路方案與系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)計(jì)4.1 基于集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器的函數(shù)發(fā)生器4.1.1設(shè)計(jì)思路我們組總體設(shè)計(jì)思路為：先通過(guò)比較器產(chǎn)生方波，方波通過(guò)積分器產(chǎn)生三角波，三角波通過(guò)差分放大器產(chǎn)生正弦波。函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線

5、的非線性。4.1.2工作原理4.1.2.1方波產(chǎn)生電路原理此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R1對(duì)電容C1正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R1對(duì)電容C1反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=

6、-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。4.1.2.2方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理4.1.2.3正弦波方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理4.1.3元器件與參數(shù)設(shè)計(jì)1、 從電路的設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)看電路分為三部分：方波部分三角波部分三角波部分正弦波部分2、 方波部分與三角波部分參數(shù)的確定由,可見(jiàn)f與c成反比，若要得到100Hz200Hz,C為0.1。3. 正弦波-方波部分比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下：，R2/(R3+RP1)=U02M/VCC=6/12=1/2;,則(R3+RP1)=20K,取R3=10K,RP1為47K

7、的電位器，取平衡電阻R1=R2/(R3+RP1)=7K,由式,即。當(dāng)100HZ<f<200HZ時(shí)，取C2=0.1uf，取平衡電阻。，由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為2V，6V，有2=6=1/3取R2=20K，47 k，R3=20K三角波>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。 ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器有兩種工作方式，即輸出函數(shù)信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)電壓可以由內(nèi)部供給，也可以由外部供給。圖3為幾種由內(nèi)部供給偏置電壓調(diào)節(jié)的接線圖。 圖3I

8、CL8038典型應(yīng)用在以上應(yīng)用中，由于第7腳頻率調(diào)節(jié)電壓偏置一定，所以函數(shù)信號(hào)的頻率和占空比由RA、RB和C決定，其頻率為F，周期T，t1為振蕩電容充電時(shí)間，t2為放電時(shí)間。Tt1t2f1T由于三角函數(shù)信號(hào)在電容充電時(shí)，電容電壓上升到比較器規(guī)定輸入電壓的13倍，分得的時(shí)間為t1=CV/I=(C+1/3·Vcc·R A)/(1/5·Vcc)=5/3RA·C 在電容放電時(shí)，電壓降到比較器輸入電壓的13時(shí)，分得的時(shí)間為t2CVI（C13·VCC）（25·VCCRB15·VCCRA）（35·RARB·C）（2RA

9、RB）f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR）對(duì)圖3（a）中，如果RARB，就可以獲得占空比為50的方波信號(hào)。其頻率f3（10RAC）。4.2.3.1 正弦函數(shù)信號(hào)的失真度調(diào)節(jié)由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波是由三角波經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度而設(shè)置的。圖4為一個(gè)調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度的典型應(yīng)用，其中第1腳調(diào)節(jié)振蕩電容充電時(shí)間過(guò)程中的非線性逼近點(diǎn)，第12腳調(diào)節(jié)振蕩電容在放電時(shí)間過(guò)程中的非線性逼近點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，兩只100K的電位器應(yīng)選擇多圈精度電位器，反復(fù)調(diào)節(jié)，可以達(dá)到很好的效果。圖4正弦波失真度調(diào)節(jié)電路4.1.4仿真結(jié)果與分析

10、（1）正弦波-方波轉(zhuǎn)換電路的仿真（2） 方波-三角波發(fā)生電路的仿真（3） 總電路的仿真4.1.5器件清單表元器件名稱個(gè)數(shù)型號(hào)主要參數(shù)集成運(yùn)放1LM358集成芯片1ICL8038 可調(diào)電阻2 20k,100k電阻8R22k,1k,62k,10k,0.1k電容4C470nF,10nF直流穩(wěn)壓電源1±12V, ±5V4.2 ICL8038元器件的函數(shù)發(fā)生器 ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路, 只需調(diào)整個(gè)別的外部組件就能產(chǎn)生從0.001HZ300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)

11、頻信號(hào)輸入端, 所以可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。 icl8038中文資料 ICL 8038 的主要特點(diǎn):(1) 可同時(shí)輸出任意的三角波、矩形波和正弦波等。(2) 頻率范圍: 0.001HZ300kHz(3) 占空比范圍: 2% 98%(4) 低失真正弦波: 1%(5) 低溫度漂移: 50ppm/(6) 三角波輸出線性度: 0.1%(7) 工作電源: ±5V ±12V 或者+ 12V + 25V 圖1 ICL8038的引腳功能排列圖    圖2 ICL8038內(nèi)部電路方框圖 由圖2可知, 該芯片由三角波振蕩電路、比較器1、比較器2、觸發(fā)器、三

12、角波正弦波變換電路、恒流源CS1、CS2 等組成。 恒流源CS1、CS2主要用于對(duì)外接電容C 進(jìn)行充電放電, 可利用4、5腳外接電阻調(diào)整恒流源的電流, 以改變電容C 的充放電時(shí)間常數(shù), 從而改變10腳三角波的頻率。兩個(gè)比較器分別被內(nèi)部基準(zhǔn)電壓設(shè)定在2 3V s 與1 3V s。使兩個(gè)比較器必須在大于2 3V s 或小于1 3Vs 的范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)。其輸出同時(shí)控制觸發(fā)器, 使其一方面控制恒流源CS2 的通斷, 另一方面輸出方波經(jīng)集電極開(kāi)路緩沖器, 由9 腳輸出方脈沖, 而10腳經(jīng)緩沖器直接由3 腳輸出三角波, 另外還經(jīng)三角波正弦波變換電路由2 腳輸出低失真正弦波。外接電容C 由兩個(gè)恒流源充電和放電。若S 斷開(kāi), 僅有電流I1 向C 充電, 當(dāng)C 上電壓上升到比較器1 的門(mén)限電壓2 3V s 時(shí), 觸發(fā)器輸出Q = 1。開(kāi)關(guān)S 導(dǎo)通, CS2 把電流I2加到C上反充電, 當(dāng)I2> I1 時(shí), 相當(dāng)于C 由一個(gè)凈電流I2- I1放電, 此時(shí)C 上電壓逐漸下降, 當(dāng)下降到比較器2的門(mén)限電壓1 3V s時(shí), R·S觸發(fā)器被復(fù)位,Q = 0, 于是S 斷開(kāi)CS2, 僅有CS1 對(duì)C充電, 如此反復(fù)形成振蕩