模电课程设计——函数发生器

目录1.函数发生器的几种设计方法2.1 基于555的函数发生器设计2.2 基于ICL8038函数发生器设计2.3 基于单片机的函数发生器设计2. 函数发生器的设计框图3. 函数发生器工作原理4.1函数发生器原理图4.2 方波三角波产生电路4.3 三角波正弦波转换电路的工作原理4.电路的参数选择及计算5.1方波-三角波中电容C1变化5.2三角波正弦波部分5.3函数发生器的电路图5.电路仿真6.1 方波-三角波发生电路的仿真及实物波形6. 电路的安装与调试7.1方波三角波发生器的装调7.2三角波正弦波变换电路的装调7.实验心得1 函数发生器的几种设计方法1.1 基于555的函数发生器设计通过555定时器进行函数发生器的设计，电路简单，成本低廉。555定时器是集模拟电路和数字电路为一体的中规模集成电路，只要适当配接少量的外围元件，可以方便的构成脉冲产生电路、脉冲变换电路及其它具有定时功能的电路。设计思路为：由555定时器构成的多谐自激震荡器得到方波；方波通过一阶RC积分电路得到三角波；三角波再通过二阶RC积分电路得到正弦波。图1-1-1 555定时器构成的函数发生器图1-1-2 电路仿真波形图由555定时器构成的函数发生器，电路简单，成本低廉，如稍许增加正弦波放大电路及幅度调节电路，即可构成简单实用的信号源。1.2 基于ICL8038函数发生器设计ICL8038的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间，它可以同时输出方波（或脉冲波）、三角波、正弦波。其内部组成如图所示。输出波形频率可变且精确度高，当输出波形频率小于10KHz时，误差仅为0.8%。图1-2-1 ICL8038内部框图其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。在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。图1-2-2 ICL8038管脚图图1-2-2为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。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（V orGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。图2-2-3 ICL8038组成的音频函数发生器图1-2-4 ICL8038函数发生器电路通过调节RV2的位置，即可调节函数发生器的输出震荡频率的大小图1-2-5 仿真波形图1.3 基于单片机的函数发生器设计可以以AT89C52单片机为核心，选用DAC0832为模数转换芯片，并辅以必要的模拟电路，设计基于AT89C52单片机的函数发生器。该方案的主要思路是采用编程的方法来产生希望得到的波形，用户将要输出的波形预先储存在半导体存储器中，在需要某种波形时将存储在存储器中的数据依次读出来，经过数模转换、滤波等处理后，输出该波形信号。该方案优点是输出信号的频率稳定抗干扰能力强，实现任意波形的信号容易，可通过外置按键或键盘来设定所需要产生信号源的类型和频率，还可以通过显示器显示波形的相关信息。不足之处是由于单片机的处理数据速度有限，当产生频率比较高的信号时，输出波形的质量将下降。2 函数发生器的设计框图函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块AT89C52)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。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，本课题中函数发生器电路组成框图图1-1所示：图2-1-1 函数发生器原理框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，抗干扰能力较强等优点。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。3 函数发生器工作原理3.1函数发生器原理图图3-1三角波方波正弦波函数发生器实验电路3.2 方波三角波产生电路20图4-2-1所示电路能自动产生方波三角波。其电路的工作原理如下：图3-2-1方波三角波产生电路若放大器A1同相输入端a点断开，运算发大器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 （3-2-1）式中RP1指电位器的调整值（以下同）。将上式整理，得比较器翻转的下门限电位Uia-为 （3-2-2）若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 （3-2-3）比较器的门限宽度 （3-2-4）由式（4-2-1）（4-2-4）可得比较器的电压传输特性，如图4-2-2所示。图3-2-2 比较器电压传输特性图3-2-3 方波三角波当比较器的门限 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。A点断开后，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 （3-2-5）当时， （3-2-6）当时， （3-2-7）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，其波形如图4-2-3所示。a点闭合，即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 （3-2-8）方波-三角波的频率为 （3-2-9）由式（3-2-8）以及（3-2-9）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。3.3 三角波正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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： （3-3-1）式中，差分放大器的恒定电流；，温度的电压当量，当室温为25摄氏度时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为 （3-3-2）式中Um三角波的幅度；T三角波的周期。将式（3-3-2）代入式（3-3-1）得 （3-3-3）用计算机对式（3-3-3）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3-3-1所示：图3-3-1 三角波正弦波变换为使输出波形更接近正弦波，由图可见要求：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。三角波的幅度Um应正好使晶体管截止电压。图3-3-2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3-3-2 三角波正弦波变换电路 4.电路的参数选择及计算4.1方波-三角波中电容C1变化实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。4.2三角波正弦波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由式（4-2-8）得 （4-2-1）取，取，为的电位器。取平衡电阻 由式（4-2-9）得 （4-2-2）当时，取，则，取，为电位器。当时 ，取；当时 ，取以实现频率波段的转换，及的取值不变。取平衡电阻。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。欧与欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整及电阻确定。4.3函数发生器的电路图函数发生器整体电路图如图4-3-1所示。图4-3-1 三角波方波正弦波函数发生器实验电路电路先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。5.电路仿真5.1 方波-三角波发生电路的仿真及实物波形画出电路图，并完成仿真，如图5-1-1、5-1-2、5-1-3分别为方波、三角波、正弦波的输出波形。图5-1-1 输出方波图5-1-2 输出三角波图5-1-3 输出正弦波以下是实物波形图：图5-1-4 函数发生器输出正弦波图5-1-5 函数发生器输出三角波图5-1-6 函数发生器输出正弦波6电路的安装与调试方波三角波正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。6.1方波三角波发生器的装调由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10K,RP2取（2.5-70）K内的任一值,否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，上电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。6.2三角波正弦波变换电路的装调按照图3-3-1所示电路，装调三角波正弦波变换电路，其中差分发大电路可利用课题三设计完成的电路。电路的调试步骤如下。差分放大器传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入的差摸信号电压Uid=50v，fi =100Hz正弦波。调节RP4及电阻R*,是传输特性曲线对称。在逐渐增大Uid。直到传输特性曲线形状入图4-1-3所示波形，记 下次时对应的 Uid即Uidm值。移去信号源，再将C5左段接地，测量差份放大器的 静态工作点I0 、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q 。三角波正弦波变换电路调试。将RP3与C5连接，调节RP3使三角波俄 输出幅度（经RP3）等于Uidm值，这时Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C*7大小可改善输出波形。如果Uo3的 波形出现以下几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及采取的措施如下。钟形失真：传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。半波圆定或平顶失真：传输特性曲线对称性差，静态工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。非线性失真：三角波传输特性区线性度差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出图8-1-1 实物图正面图8-1-2 实物图背面图7-1-3 方波调试过程图8-1-5 三角波调试过程图8-1-5 正弦波调试过程7心得体会课程设计是继专业理论学习和实验教学之后又一重要的实践性教学环节。它的任务是在学生掌握和具备电子技术知识与单元电路的设计能力之后，综合所学知识进一步学习电子电路系统的设计方法和实验方法，为今后从事电子技术领域的工程设计打好基础基本要求。图7-1-4 正弦波调试过程我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，理论知识很枯燥，让人看而生畏，总是不能深入而透彻的掌握知识。而做完课程设计，一些问题就迎刃而解了，而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。在制作实验报告时，发现只有细心耐心恒心一定要有才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。其中遇到的问题，方波的占空比不是50%，仿真出错的结果，好久都没有找到原因，后来学长说这个运放在仿真中不是理想的，所以导致两端输出的电压不同，引起的占空比不为50%。后来选用了个质量好些的运放，解决了这个问题。经过一个星期的实习，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我们也失落过，也曾一度热情高涨。从开始时满富盛激情到最后汗水背后的复杂心情，点点滴滴无不令我回味无长；生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人