《测控电路》课程设计-信号发生器设计.doc

天津工业大学测控电路课程设计说明书题目：信号发生器设计姓 名 学 院 专 业 班 级 指导教师 2013 年 6 月 28日目 录第一章 设计任务.11.1简述信号发生器发展现状和发展趋势第二章 电路基本原理.3 2.1设计任务 2.2设计要求2.3理论基础第三章 电路调试与实验.5 3.1方案介绍及选定3.1.1方案介绍3.1.2方案选定3.3系统各部分的设计.53.3.1电源部分 3.3.2 信号产生部分3.3.3电路设计3.3.4主要芯片介绍3.4调试方法和实验分析.133.4.1调试方法3.4.2实验结果分析3.4.3注意事项第四章 设计总结体会.154.1设计总计体会附 录.19 附录1 元器件清单附录2 实物图 附录2 PCB图天津工业大学2010级测控电路课程设计第一章 设计任务1.1简述信号发生器发展现状和发展趋势随着电子技术的发展，电路测试对信号发生器的要求已经越来越高。除生成标准波形如正弦波、方波、三角波、脉冲波之外，信号发生器还要用于模拟输出一些不规则信号，以生成“实际环境”信号，包括在被测设备离开实验室或车间时可能遇到的毛刺、漂移、噪声和其它异常事件等。所有这些都要求信号发生器输出信号的参数如频率、波形、输出电压或功率等，能够在一定范围内进行更加精确的调整，并拥有更好的稳定性及输出指示。 1975年任意波形发生器开发成功，使信号发生器产品增加了一个新品种。在任意波形发生器作为测量用信号激励源进入市场之前，为了产生非正弦波信号，已使用函数发生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等几种特殊波形。声音和振动分析需要复杂调制的信号源，以便仿真真实的信号，只有借助任意波形发生器，例如医疗仪器测试往往需要心电波形，任意波形发生器很容易产生各种非标准的振动信号。早期的任意波形发生器主要着重音频频段，现在的任意波形发生器已扩展到射频频段，它与数字示波器（DSO）密切配合，只要数字示波器捕获的信号，任意波形发生器就能复制出同样的波形。在电路构成上，数字示波器是模拟/数字转换，任意波形发生器是数字/模拟的逆转换，目前任意波形发生器的带宽达到2GHz，足够仿真许多移动通信、卫星电视的复杂信号。在几种任意波形发生器中，生产数字示波器的仪器公司一般都供应任意波形发生器，如安捷伦、力科、泰克公司，也有只生产任意波形发生器的公司，如雷科、斯坦福公司。仪器有台式、PC机虚拟、VXI总线、PXI总线等多种方式，大部分产品只有1路输出，有的高达16路输出。仪器采样率从最低的100KS/s到4GS/s，相当实时带宽50kHz到最高的2GHz。产生任意波形的方法主要有两种：即存储器和直接数字合成（DDS），前者电路比较简单，分两种形式：相位累加器式与计数器式，但需要较深的存储容量。仪器的垂直分辨率有8位至16位，采样率越高时分辨率越低，主要受数/模转换器和存储器特性的影响。存储器容量从最小的8K（12位）到16M（8位），通常可根据用户要求扩充容量。任意波形发生器的波形定义主要有面板设定、方程式设定、波形下载、软件设定、数字示波器下载、内置编辑器等多种。软件大部分采用Windows、LabVIEW或VXIpnp，总线主要是GPIB（台式仪器）、VXI（模块仪器）、PCI/PXI（PC基仪器）、RS-232（通信）、LAN（网络）等。任意波形发生器的应用非常广泛，在原理上可仿真任意波形，只要数字示波器或其它记录仪捕捉到的波形，任意波形发生器都可复制出，特别有用的是仿真单次偶发的信号，例如地震波形、汽车碰撞波形等等。随着电子信息技术的发展，信号发生器的用途更加广泛，但由于信号发生器功能越来越多，品牌、型号分布日趋复杂，单凭产品性能指标已经不能左右用户的选择，只有更具性价比、更有行业适用性、更方便工程师操作的产品才能获得用户的青睐。第二章设计任务2.1设计任务 设计方波三角波正弦波函数信号发生器 2.2设计要求1、能产生2010KHz连续可调的正弦波和三角波，峰峰值在-5+5V内可调；2、能产生2010KHz的连续可调的方波，脉宽可调，输出峰峰值在010V内可调；2.3理论基础1） 分立元件系统工作原理 过零比较器文氏桥振荡电路积分电路首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。2、 集成芯片ICL8038工作原理 当给函数发生器ICL8038接通电源时，电容C的电压为0 V，电压比较器和的输出电压均为低电平；因而RS触发器的输出Q为低电平，Q为高电平；使电子开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流时间的增长而线性上升。Uc的上升使RS触发器的R端从低电平跃变为高电平，但其输出不变，一直到Uc上升到1/3 VCC时，电压比较器的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（Q同时变为低电平），导致电子开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2IS1I，因放电电流是恒流，所以，电容上电压Uc随时间的增长而线性下降。起初，Uc的下降虽然使RS触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直到Uc下降到1/3 VEE，使电压比较器的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（Q同时为高电平），使得电子开关S断开，电容C又开始充电。重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为对称三角波形,Q为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。通过以上分析可知，改变电容充电放电电流即改变RA，RB的数值，或改变电容C的数值，就改变了充放电时间，因此可改变其频率。 ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，也可双电源供电，他们的值为515 V，我们取15 V，频率的可调范围为0.1250 kHz，输出矩形波的占空比可调范围为590。 第三章电路调试与实验3.1方案介绍及选定1）方案介绍 1、方案一 由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有1000倍的频率覆盖系数，显然对于1000倍的频率变化会有积分时间dt的1000倍变化从而导致输出电压振幅的1000倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。 2、方案二利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uc的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。该方案的特点是十分明显的： 线性良好、稳定性好； 频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变； 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形； 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。2）方案选定 综合上述分析，结合自身条件，降低调试难度，我们采用了第二种方案来产生信号。3.3系统各部分的设计1、电源部分 为了简化设计和提高系统精度，采用实验室提供的直流电源模块为系统供电，电压可实现任意可调，输出稳定。2、信号产生部分ICL8038可同时输出方波、三角波及正弦波 ，使用时只需外接少量 电阻、电容元件。R1为方波输出占空比调节电阻，阻值为4.7kQ ，用来改变4、5脚电压，从而改变方波占空比。R3、R15和R2组成分压 网络 ，R3为频率调节电位器 ，该电位器使用优质多圈电位器，阻值为10k，调节R3，改变ICL8038的8脚输人 电压，可改变输出波形的频率 ；C5C8为外接定时电容，改变开关c1的位置，可获得 4个频段(020Hz、20Hz200Hz、200Hz一2kHz、2kHz20kHz)的输出信号 ；RP3、RP4为正弦波失真度调节 电位器 ，为了减小正弦波的失真度 ，ICL8038采用两套微调网络R16和R17，分别微调 1脚和 12脚 电位，使正弦波信号失真度最小ICL8038的2脚输出正弦波，3脚输出三角波，9脚输出方波。 3输出驱动部分 由于ICL8038输出的信号幅度小，需要放大输出信号。 输出驱动 电路由RP2、R9R14及LF353组成。LF353内 部为双运放电路，1、2、3脚和5、6、7脚各组成一个运放 ， 该运放性能优 良。ICL8038输出的波形 电压经R9、R10、 R11、RP2组成的幅值微调 电路后，送到LF353放大后输出，RP2为优质多圈电位器，组织为10K，R12、R13及开关S4组成幅值衰减电路。另外，分别用发光二极管指示电源工作是否正常，C12、C13为去耦电容。幅值衰减原理由一个反向比例放大电路，Rf为反馈电阻，在电路中使用100K电位器代替，R1为1脚外围电阻，电压放大倍数Au=U0/UI，改变Rf的大小，就能改变Au的大小，从而达到幅值衰减的目的。3)电路设计 结合ICL8038典型应用电路，对其进行部分改进，使得系统可调性及精度提高，具体电路设计如下图所示4）主要芯片介绍ICL8038芯片介绍1、性能特点ICL8038型精密函数发生器是美国英特西尔公司产品，国产型号为5G8038。它属于单片集成电路，具有频率范围宽、频率稳定度高、外围电路简单、易于制作等优点。它可产生0.001Hz-300kHz高质量的正弦波、矩形波（或者方波、窄脉冲）、三角波（或锯齿波）等函数波形，很适宜装入万用表内部。此外，利用ICL8038还能实现FM调制、扫描输出。性能特点（1）电源电压范围宽。采用单电源供电时，V+-GND的电压范围是+10-+30V；采用双电源供电时，V+-V-的电压可在5-15V内选取。电源电流约15mA（2）振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是0.001Hz-300kHz，频率温漂仅50ppm/(1ppm=10-6)。（3）输出波形的失真小。正弦波失真度5%，经过仔细调整后，失真度还可降低到0.5%。三角波的线性度高达0.1%。（4）矩形波占空比的调节范围很宽，D=1%-99%，由此可获得窄脉冲、宽脉冲或方波。（5）外围电路非常简单。通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率。（6）输出特性：正弦波：幅度约V+/5，输出阻抗为1k。矩形波（或方波），幅度近似等于V+，且为集电极开路输出（相当于OC门）。三角波：幅度为V+/3，输出阻抗为200。（7）作调频输出时，FM范围是10kHz，线性度为0.5%2、管脚功能如图4-1为ICL8038的管脚图。脚1、12（SineWaveAdjust）：正弦波失真度调节；脚2（SineWaveOut）：正弦波输出；脚3（TriangleOut）：三角波输出；脚4、5（DutyCycleFrequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V）：正电源10V18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏置电压输；脚8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入；脚9（SquareWaveOut）：方波输出，为开路结构；脚10（TimingCapacitor）：外接振荡电容；脚11（VorGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。图4-1 ICL8038管脚图 3、工作原理ICL8038采用14脚双列直插式封装，内部框图如4-2图所示。内部包括恒流源HL1、HL2，电压比较器、（二者阈值电压分别为2/3V+、1/3V+），模拟开关SW，RS触发器，缓冲器、，正弦波变换器。C是外接电容器。构成函数发生器时，应将第7、8两脚短接。假定HL1 、HL2，的恒流值分别为I1、I2，并且令I1=I ，I2=2I，当触发器置零时，Q=0，使SW断开。此时HL2被断开，仅HL1向C充电，电容上的压降Vc沿直线上升。当Vc=2/3V+时，比较器输出高电平，VS=1，将触发器置1，Q=1，使SW接通。HL1、HL2虽然都起作用，但HL1对C正向充电，而HL2对C反向充电（这相当于C放电）。因此，实际反向充电电流为I反=I2I1=2II=I与正向充电电流在数值上相等，于是Vc沿直线下降。当Vc=1/3+时，比较器输出高电平， VR=1，将触发器置零，Q=0，SW断开，HL2不起作用，仅靠HL1对C1正向充电。这样循环进行下去，便形成了振荡。显然以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来，逼近点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。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当高。图4-2 ICL8038内部框图图4-3 ICL8038函数发生器中电压比较器的电压传输特性4、典型应用如图所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图4-3(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图4-3(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。图4-3 ICL8038两种基本接法当RA=RB时，各输出端的波形如图4-4(a)所示，矩形波的占空比为50，因而为方波。当RARB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图4-4(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为VccR A)/(1/5Vcc)=5/3RAC 在电容放电时，电压降到比较器输入电压的13时，分得的时间为t2CVI（C13VCC）（25VCCRB15VCCRA）（35RARBC）（2RARB）f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR）如果RARB，就可以获得占空比为50的方波信号。图4-4 ICL8038输出波形图 LF353芯片介绍LF353的总体电路设计还是比较简洁的，此类拓扑在目前的功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200的电阻用来限制输出短路电流。 3.4调试方法和实验分析一、调试方法1、按电路图连接好系统的电源及输出2、用数字万用表测量+12V和-12V输出端电压，显示结果为11.9V和-12.1V，而且稳定。3、用示波器测LF3537脚信号输出端，波动波形选择开关，示波器观察到正弦波、三角波、方波，波形良好，几乎无失真。在测试正弦波时，刚开始波形有点失真，用小螺丝刀反复仔细调节ICL8038的12脚和1脚外接的RP3和RP4,使波形达到最佳。调节ICL8038的4脚和5脚外接的RP5,可以改变方波的占空比，三角波无需调节。4、把频段开关拨到020Hz挡，把频率微调电位器调到最小，用频率计测量信号输出端，频率计显示频率为0.00Hz. 把频段开关拨到2K20KHz挡，把频率微调电位器调到适当位置，用频率计测量信号输出端，频率计显示频率为10.90Hz.二、实验结果分析1、正弦波经过测试和调试，该信号发生器可产生0100KHz，幅值在-5+5V内可调正弦波，通过拨码开关选择振荡电容0.33uF，调节电位器R3可产生20Hz正弦波，其波形图如下：通过拨码开关选择振荡电容3300pF，调节电位器R3可产生20KHz正弦波，其波形图如下：2、方波经过调试，该系统可产生脉宽可调的方波，其波形如下：波形一波形二3、 三角波经过测试和调试，该信号发生器可产生0100KHz，幅值在-5+5V内可调三角波，通过拨码开关选择振荡电容0.33uF，调节电位器R3可产生20Hz三角波，其波形图如下：通过拨码开关选择振荡电容3300pF，调节电位器R3可产生20KHz三角波，其波形图如下：结果分析：该系统基本实现了本次课程设计的基本要求，但波形效果不是十分完美，其主要原因分析如下：1、 电源输出精度不够，稳定性差2、 电位器的误差造成波形失真3、 焊接存在问题，造成干扰三、注意事项（1） 正确使用测量仪器的接地端。（2） 测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为， 若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大误差。（3） 测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。（4） 要正确选择测量点，用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。（5） 调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。（6） 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.（7） 用单电源供电时，三角波和正弦波的平均值等于V+ /2，而方波幅度为 V+。 用双电源供电时，所有输出波形相对于地（GND）电平均是正负相称的。 第四章 设计总计体会4.1设计总结体会终于设计完了，第一感觉让我获益匪浅！以前在课堂上学的都是纯理论，没有真正地做过什么东