函数信号发生器设计论文

四川师范大学成都学院通信原理课程设计 I 目录 前言.1 1函数信号发生器设计任务.1 1.1设计提议.1 1.2方案论证与研究.1 2方案设计.2 2.1项目指标.2 2.1.1电源参数.2 2.1.2工作频率.2 2.2方案比较及选择.2 3设计理论.3 3.1函数发生器的结构组成.3 3.2方波信号.3 如图 3.2-1 由运算放大器和电容积分电路、 f R组成的，输出电压最终反馈到运 放反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。.3 3.3正弦波信号.4 3.4三角波信号.6 4RC 振荡电路设计.7 5 放大器功率及 ICL8038 介绍.9 5.1放大器功率.9 5.2 ICL8038 原理介绍.10 6 致谢.11 7 总结及体会.12 附录 1系统原理图.13 附录 2系统元件清单.14 附录 3系统 PCB 图.15 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 II 参考文献.16 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 1 函数信号发生器设计论文 前言 函数信号发生器的制作是以集成块 ICL8038 为核心器件，制作的成本也相对较低。 是适合学生学习、使用电子技术测量。ICL8038 可以输出具有多种波形的精密振荡集成 电路，要想产生从 0.001Hz30KHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号只需 要个别外部元件。输出波形的占空比和频率还可以由电阻或电流控制。其次由于此芯片 具有调制信号的输入端，所以可以用作频率调制，针对于低频信号。 函数信号发生器有着不同的用途， 其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种 或多种波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电 路，如先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电 路转化为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波 或三角波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间 可选性的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦 波、三角波、方波的主芯片 ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行 的。 1函数信号发生器设计任务 1.1设计提议 产品开发、工业生产、科学研究等领域都的使用函数信号发生器，它常用的基本测 试信号有锯齿波和正弦波、矩形波、三角波。常作为时基电路的锯齿波信号在示波器等 仪器中利用荧光屏显示图像。例如，想要通过示波器荧光屏上观察到被测不失真地信号 波形，通过产生锯齿波电压使的电子束在水平方向匀速搜出荧光屏。方波，三角波都有 着不同的重要作用，而函数信号发生器是指一种能自发的产生方波、正弦波、三角波和 锯齿波阶梯波等电压波形的仪器或电路。因此，提议设计一种能产生三角波、正弦波、 方波的函数信号发生器。 1.2方案论证与研究 函数信号发生器用途较多， 其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种或多种 波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电路，如 先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电路转化 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 2 为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波或三角 波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间可选性 的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦波、三 角波、方波的主芯片 ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行的。 2方案设计 2.1项目指标 2.1.1电源参数 输入：双电源 +12V、-12v 输出：方波电压约等于 12v，三角波电压与约等于 5v，正弦波电压大于 1v，幅 度可连续调，线性失真就会较小。 2.1.2工作频率 频率范围：10HZ100HZ,100HZ1000HZ 2.2方案比较及选择 方案一：正弦振荡是由文氏电桥产生，然后得到方波，三角波是方波积分得到的。 此方案结构简单，是一开环电路，产生的失真较小的正弦波和方波波形 。但于产 生三角波则比较有麻烦，因为频率覆盖系数要求有 1000 倍，因此对于 1000 倍的频率变 化会有积分时间从而使输出电压振幅的 1000 倍变化。而这是不满足电路要求的。幅度 的稳定性几乎难以达到要求。并且通过仿真实验会发现积分器极易产生线性失真。 方案二：通过芯片 ICL8038 产生 8083 集成函数发生器。 该集成函数发生器是一种用途较多的波形发生器，可以产生方波、正弦波、三角波 和锯齿波，通过外加的直流电压进行振荡器调节，所以是电压控制集成信号产生器。由 于两个电流源控制外接电容 C 的充、放电电流，所以电容 C 两端电压大小变化与时间 成线形关系，从而可以输出理想的三角波波形。8038 电路中含正弦波变换器，因此可 以将三角波转化成正弦波输出。另外还可以将三角波转换成方波输出通过触发器。此方 案的特点有： 稳定性好而且线性良好； 易调频率，频带在几个数量级范围内，可以方便地、连续地改变频率大小， 而且 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 3 变频率的同时，幅度是不会发生变的； 不会出现过渡过程，只要接通电源后就会立即产生稳定的波形图； 方波和三角波在半周期内的时间是线性函数，容易转换为别的波形。 故由此，本次信号设计采用的是第二种方案。 3设计理论 3.1函数发生器的结构组成 函数发生器是指能够自动产生方波、正弦波、三角波的电压波形的仪器或电路。可 以采用由运放、分离元件及单片集成函数发生器构成电路形式。根据不同的用途，可以 产生三种或多种不同波形的函数发生器，本次介绍的事不同函数信号发生器的方法。 函数信号发生器是由正弦波形发生电路和基础的非正弦信号发生电路组合成的。 下 面我们将分别对方波、正弦波、三角波的发生进行分析，从而使在合成电路时电路更加 的合理。 3.2方波信号 如图 3.2-1 由运算放大器和电容积分电路、 f R组成的，输出电压最终反馈到运放 反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。 图 3.2-1运算放大电路 电路如图 3.2-2 所示， 在接通电源时， 电容两端的电压为零， 且输出电压等于 Z U， 所以运放同相输出端的电压FU RR R Uzu ZP 21 2 。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 4 此时 ZO Uu向 C 充电， 使运放反相端输入电压 N u不断上升。 在 PN uu 小于以前， ZO Uu不变。在 1 tt 时， N u逐渐上升到略高于 P u，使 O u从高电平跳到低电平， 变为 Z U。 ZO Uu时，FUu ZP ， 此时通过 f R向 C 充电， 使运放反相输入端的电压 N u 逐渐增加。在 PN uu 大于以前， ZO Uu大小保持不变。在 2 tt等于时， N u减小到稍 低于 P u，则 O u从低电平跳到高电平，变为 Z U，又回到最初状态。如此重复，循环， 从而产生振荡，并输出方波。 根据上面的分析，从而可以画出如下图 O u与 C u的波形： 图 3-2-2 O u与 C u的波形 有图波形，并取适当的 1 R、 2 R值，)( 212 RRRF，则CRT f 2，得到振 荡频率为： 3.3正弦波信号 即又被称为文氏电桥振荡器， 如图 3-3-1 所示其中是由同相运放电路组成的 A 放大 器，如图 3.3-1，) 1( 1 2 R R V V A d o v f CRT f 2 11 0 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 5 图 3.3-1文氏电桥振荡电路 图 3.3-2同相运放电路 由 RC 串并联组成网络 F，因为运放的输入阻抗较大，所以输出阻抗 Ro 就很小， 对网络 F 几乎没有影响影响，故忽略不计，根据图 3.3-3 得 R C CRj R RR Cj RCj R 3) 1 () 1 )(1( 2 R RCj R Cj RCj R V V F o f v 1 1 1 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 6 根据自激振荡条件：AF =T=1 故有1 3) 1 ( 2 R C CRj RA FA v vv 因此上式中分母 中的虚部必须等于零，即0 1 2 C CwR CR 1 0 振荡频率 上式中实部为 1，3 v A所以起振条件 图 3.3-2 是同相运放，1 1 2 R R Av须满足条件 21 2RR 图 3.3-3RC 串并联 3.4三角波信号 根据 RC 的积分电路输出和输入信号波形的关系可得，当输入信号是方波时，则输 出的信号便是三角波，由此可知，三角波信号发生器是由 RC 积分电路和方波信号发生 器组成。下图 3-2-3 便是三角波信号发生器的电路组成。图中的方波信号发生器是由 1 A 运算放大器组成， RC 积分电路是由 2 A组成。该电路的设计原理是：由方波信号发生 器输出方波。反相积分电路由图中 1 A， 2 A和 C、 4 R等组成。 分析可以画出 1O u和 O u的波形，如图 3.4-1 所示。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 7 图 3.4-1 1O u和 O u的波形 电压 O u的上升和下降幅度和时间变量相等， 而且上升和下降的斜率的绝对值大小也 相等。三角故波 O u峰值为： 2 1 R R U U Z om 故振荡周期：C R RR ttT 2 41 12 4 )(2 则在调整三角波电路时， 1 R或 2 R应被先调整,使峰值达到所需要的值，最后再调整 4 R或 C，使频率 0 f能满足要求。 4RC 振荡电路设计 RC 振荡器电路的设计，就是根据给出的指标要求，选择适合的电路结构形式，并 确定和计算电路中各元件的参数，在所要求的频率范围内使它们满足振荡的条件，使电 路产生正弦波形。 RC 振荡器的设计的步骤为： 根据已知的指标参数，选择适合的电路形式。 计算并确定电路中的各元件参数。 选择运算放大器 为满足电路指标要求可通过调试。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 8 例如：设计一个振荡频为 800Hz 的 RC 正弦波振荡器。 设计步骤如下: 计算并确定电路中的各元件参数。 RC 的值可根据振荡器的频率计算。 )(1099. 1 2 1 4 0 s f RC 确定 R 和 C 的值 为了使选频网络不受运算放大器输入和输出电阻的影响。按：Ri R R0的关 系确定 R 的值。其中：运算放大器同相端的输入电阻 Ri。为运算放大器的输出电阻 R0。 当 R=20k时，则： FC 7 3 4 10995. 0 1020 1099. 1 确定 R3和 Rf的值（Rf=R4+Rw+rd/R5) 根据振荡的振幅条件，Rf应大于 2R3，取 Rf=2.01R3。从而减小波形失真。 此外，为了满足 R 等于 R3并联 Rf的直流平衡条件，并减小运放输入失调的影响。 由 Rf=2.01R3和 R=R3/Rf可求出： R3= 01. 2 1 . 3 R = 33 108 .291020 01. 2 1 . 3 取整数值: R3=30k 所以:Rf=2.01R3=2.01 3 1030=60.3k. 为了是效果更好, Rf与 R3的值还可以通过实验调整后确定。 确定其元件值及电路。 电路由 R5和接法相反的二极管 D1、D2并联而成。 二极管 D1、D2应选用其元件值硅管，因其温度稳定性较高。当然二极管 D1、D2 的特性必须保持一致，以确保输出波形的正负半轴对称。 R2与 R5确定 由于二极管的非线性会导致波形失真，因此，可在二极管的两端并上一个阻值与 rd 相近的电阻 R5。用来减小非线性失真，然后再经过调整，达到最好效果。便可确定 R5， 再计算出 R2。 为了是效果更加明显,电阻 R2可用 50k电阻和 40 k的电位器串联。 运放型号的选择 运放选择， 要求输入高阻、 输出低阻， 而且满足增益带宽积： Auo BW 大于 3fo的 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 9 条件。因为 fo=800Hz，所以选择A741 集成运算放大器。 5 放大器功率及 ICL8038 介绍 5.1放大器功率 由多级放大器组成的便是电子电路。在工作过程中，电压放大是由小信号放大电路 对输入信号进行的， 再通过功率放大电路将功率放大， 以便于控制或驱动负载电路工作。 功率放大器就是以功率放大为目的的电路。低频功率放大器也称为功率放大器，是能使 低频信号功率放大的放大器。 如图 5.1-1 OTL 低频功率放大器所示。其中由晶体三极管 T1组成前置放大级（也称 推动级） ，T2、T3是一组参数对称的 PNP 和 NPN 型晶体三极管，它们组成 OTL 功放电 路。射极输出器形式是由每一个管子接成的，因此输出电阻低，负载能力较强等优点， 适合功率输出级。甲类状态由 T1管工作，此集电极电流 IC1是通过电位器 RW1进行调节。 IC1的一部分流经二极管 D 及电位器 RW2， 给 T2、T3提供电压。通过调节 RW2，可以使 T2、 T3在甲、乙类状态得到合适的静态电流，以克服失的一端，因此可在电路中引入交、直 流电压并联负反馈，一方面改善了非线性失真，同时也能够稳定放大器的静态工作点。 R 和 C2构成用于提高输出电压正半周的幅度自举电路，从而得到较大的动态范围。 C2和 R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。 主要性能指标是 OTL 电路。 在输出功率 P0m的最大不失真理想情况下， 在实验中可测量 RL两端的电压有效值通 过计算来得实际的 其中由晶体三极管 T1组成前置放大级（也称推动级） ，T2、T3是一对参数对称的 NPN 和 PNP 型晶体三极管，互补推挽的 OTL 功放电路就由它们组成。由于射极输出器形式是 每一个管子连接成的，因此具有输出低电阻，负载能力较强等优点，适合作用于功 率输出级。甲类状态 T1管工作，通过调节电位器 RW1来调节它的集电极电流 IC1。IC1的 一部分流经二极管 D 及电位器 RW2， 给 T2、T3提供偏电压。为甲、乙类状态在 T2、T3得 到合适的静态电流，可通过调节 RW2来实现，从而又由于 RW1的一端接在 A 点，因此在电 路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善 了非线性失真。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 10 图 5.1-1OTL 功率放大器实验电路 5.2 ICL8038 原理介绍 芯片 ICL8038 是单片集成函数发生器，如图 5-3s 所示为其内部原理电路框图。 ICL8038 由恒流电流源 I1、I2，触发器和电压比较器 C1、C2等组成。电压比较器 C1的门 限电压为 2VR/3、的为 VR(VR= VEE+VCC)，可通过调节外接电阻确定电流源 I1和 I2的大小， 并且 I2必须大于 I1。当触发器 Q 端输出电平低时，I2通过开关 S 的控制从而使电流源断 开。而电流源 I1向外接电容 C 充电，电压随时间变化线性下降，当其下降到小于 VC时， 比较器 C2 输出发生跳变，当 VC上升到 2VR/3 时，比较器 C1输出波形会发生跳变，从而 使触发器输出端 Q 由低电平变为高电平，电流源 I2接通通过控制开关 S。当其上升和下 降时间相等时，产生的波形输出到引脚 3，而触发器输出的波形经缓冲器输出到引脚 9。 三角波由正弦波变换器变成正弦波后由引脚 2 输出。由此知 ICL8038 能输出三角波、方 波和正弦波等三种及三种以上的不同波形。其中，外部接入振荡电容 C，它是通过内部 两个恒流电源来完成充电、放电的过程。恒流源 2 的工作状态是由恒流源 1 对电容器 C 持续充电，并增加电容电压，从而达到改变比较器的状态改变、输入电平以及带动触发 器翻转来连续控制的。当触发器使恒流源 2 处于关闭状态，电容电压值是比较器 1 输入 电压规定值的 23 倍时，比较器 1 的状态发生改变，使触发器的工作状态发生翻转， 此时将模拟开关 K 由 B 接到 A 点。因为恒流源 2 的电流值为 2I，比恒流源 1 大，所以 电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将将发生改变，为线性下降，当电容 电压值下降到比较器 2 的输入电压规定值的 13 倍时，比较器 2 状态发生改变，使触 发器再次翻转到原来的状态，周而复始的完成此振荡过程。 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 11 根据以上分析，上述基本电路中很容易获得 3 种函数信号，倘若电容器在放电过程 和在充电过程的时间常数相等，而且是在电容器充放电时，那么电容电压输出的就是三 角波函数，从而三角波信号由此获得。因为触发器的工作状态也是由电容电压的充放电 的过程决定的，因此，触发器的状态通过翻转，就能够产生方波函数信号，在芯片内部 结构中，这两种信号经过缓冲器功率的放大，并从管脚 3 和管脚 9 输出可得。 满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围可适当的选择外部电阻 RA和 RB和 C。所以，对两个电流源在 I 和 2I 电流不等的情况下，可以从最小到最大范围中循 环调节，并任意选择调整，因此，只需要使电容器充放电时间不相等，便可获得锯齿波 等函数信号。 图图 5.2-15.2-1内部原理电路框图内部原理电路框图 6 致谢 本课题在选题以及研究过程是在孙活老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。 老师们 多次询问研究设计进程，并为我悉心指点迷津，帮助我开拓思路，耐心点拨、鼓励。老 师们严谨细致、一丝不苟的工作作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以 文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对老师的感激之情是无法 用言语表达的。感谢带过我的老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研 究， 从课题的选择到项目的最终完成， 老师们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。 在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬并致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在此，我还要感谢我的 5 位室友，正是有你们的帮助、理解和支持，我才能克服一 个一个的困难，直至顺利的完成本文。当然也缺少不了一起愉快度过三年的大学同学， 他们给与我帮助，支持，我在此也由衷的表示感谢。最后我还要感谢含辛茹苦的把培养 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 12 我长大的父母，谢谢您们! 7 总结及体会 通过本次课程设计，加强了我们的思考、动手和解决问题的能力，经常会遇到不同 的情况，心里总想着这样的接法或许可以行得通，但实际接上电路后才发现不对，实现 不了预想的效果，因此耗在这上面的时间用的比较多。 我觉得做课程设计的同时也巩固和加强了课本知识， 由于课本上的知识太多而且零 散， 平时课间的学习也并不能很好的理解并运用各个元件的功能， 考试内容又比较有限， 因此在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能以及使用。平时看课本学习书本 知识时，有时问题总是弄不懂，可做完设计，那些不是问题的问题就迎刃而解了。甚至 还记住很多东西，受益匪浅。如一些芯片的功能及作用，平时看课本讲解，看一次忘一 次，没从根本上理解。通过这次动手实践让我对各个元件印象深刻。所以认识、了解来 源于实践，实践才是认识的动力和最终目的，实践出真理。所以这次的设计对我的学习 和帮助作用都非常大的。 通过该次设计，在理论学习时，很少会有实践的机会，但我们学院可以，而且设计 制作也是一个团队的任务！一起的学习工作中可以让我们团结一致，相互帮助，默契配 合，多少欢乐在这里洒下。我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人 也离不开团队，必须发扬团结合作的精神。这次实验设计必将成为我人生旅途上的一个 非常美好的回忆！ 通过对此课程设计是我认识到，电路设计需要我们耐心，需要缜密的整套思维逻辑， 要求我们学会分析。懂得只有理论知识是远远不够的，只有将理论和实践结合起来才能 顺利完成。我期盼在今后的学习过程中能让学生更加的接近器材，独立完成很多知识不 能只看表面， 要深究其真正作用才行， 需要不断积累经验。 所以说， 坐而言不如立而行， 对于这些电路还是得自己亲自动手才能印象深刻。 这次的课程设计终于顺利完成了，在设计中也遇到了很多专业知识问题，最后通过 老师的辛勤指导，终于迎刃而解了。经过老师的悉心指导，我们学也到了很多实用的知 识，在次我表示深深感谢！同时，对给过我帮