函数信号发生器的设计.doc

09级 电子信息工程专业 集成电路原理及应用课程设计函数信号发生器的设计摘 要 本系统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。本系统正弦波频率在1010000Hz范围内可调，输出电压幅度连续可调，方波U24V，三角波U8V，正弦波U1V。达到设计要求，并且经济实用。关键词 差分放大电路； 比较电路； 积分器 1.课程设计任务1.1 课程设计题目 函数信号发生器的设计1.2 设计的要求1.设计、组装、调试函数发生器；2.输出波形：正弦波、方波、三角波；3.频率范围 ：在1010000Hz范围内可调 ；4.输出电压：方波U24V，三角波U8V，正弦波U1V；2.设计总体方案选择2.1方案一由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波。但是构成的函数发生器所产生的信号难控制，不易调试，可调范围小。2.2方案二用ICL8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后ICL8038的9、3、2引脚就可分别产生方波、三角波、 正弦波，频率调节部分通过其它的引脚接外电路来完成 .然后从ICL8038出来经过选择开关选择所需波形进入LM31D8进行放大和幅度调节，最后从LM31D8出来的波即为频率和幅度可调的方波，三角波和正弦波 。这样精确度虽然高，但过于复杂，而且价格稍贵。2.3方案三利用比较器产生方波，后用积分器产生三角波，经过擦、差分放大器产生正弦波。系统原理框图如下图2-1所示。图2-1系统原理框图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。考虑到以上因素我们选择方案三。3. 单元模块设计3.1方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。方波发生电路如图3-1所示。图3-1 方波发生电路3.2 方波-三角波产生电路的工作原理方波-三角波产生电路图3-2所示。图3-2 方波-三角波产生电路图 工作原理如下：若a点断开，运算发大器U1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。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 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度为 由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-3所示。图3-3 比较器的电压传输特性 a点断开后，运放U2与R4、RP2、C2及R2组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为时，时，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，其图形关系下图3-4所示。 图3-4 方波-三角波变换a点闭合，既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， 三角波的幅度为 方波-三角波的频率f为 由以上两式可以得到以下结论：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。3.电位器RP2可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3.3三角波-正弦波产生电路的工作原理三角波-正弦波转换电路如图3-5所示。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： 式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。图3-5 三角波-正弦波产生电路如果Uid为三角波，设表达式为式中Um三角波的幅度；T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻R11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3-6 三角波-正弦波变换4. 系统电路设计4.1电路的参数选择及计算比较器U1与积分器U2的元件计算如下。得即取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻由式得：即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2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。R11=100欧与RP4=100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RP4及电阻R*确定。4.2 函数发生器总电路图函数发生器总电路图如图4-1所示。图4-1 函数发生器总电路图4.3 元器件清单本设计所用的元器件如表4-2所示。表4-1元器件清单1运 放7412片2电位器50K2只电位器100K1只电位器1001只3电 容470F3只电 容10F1只电 容1F1只电 容0.1F2只电 容0.01F1只4电 阻1001只电 阻2K2只电 阻6.8K2只电 阻10K3只电 阻15K1只电 阻20K3只电 阻51K1只5 三极管90134只5.电路仿真5.1方波-三角波发生电路的仿真仿真条件：先调节R4的电阻，使得输出三角波的峰峰值为8V,然后改变电容的值，让它分别为0.01uF、0.1uF、1uF、10uF,对应电阻R6的范围（即改变b的大小）得出不同的图形。图形如下图所示。 图5-1 C1=0.01uF 图5-2 C1=0.1uF 图5-3 C1=1uF 图5-4 C1=10uF 5.2三角波-正弦波转换电路的仿真仿真条件：先将电容接地，调节Rp4,从而调节输出电压。再输入三角波，看输出是否为正弦波，并记录最大不失真时的正弦波峰峰值，使之大于1V。三角波-正弦波转换电路的仿真如下图所示。 图5-5 C2=0.01uF 图5-6 C2=0.1uF 图5-7 C2=1uF 图5-8 C2=10uF6. 总结这次课程设计给了我们动手自己操作的机会，我学会了很多。课程设计给了我们一次实际掌握知识的机会，离开了课堂严谨的环境，接触到真正的电路元件，实际的动手操作，解决问题。对于我们而言，最缺少的就是实习动手能力了，在课堂上，我们可以学到许多知识，但是当我们自己操作的时候就会遇到好多困难，就会觉得实践真的是我们在平时很需要的。只凭着自己单独的思考是不能完成实际的工作的。只有在拥有扎实的知识基础上，通过不断的实践，机械操作和经验的积累，然后才能把所学的知识有效的运用到实际工作中。所以这次集成电路课程设计对我们而言是必不可少的，不仅是给我们锻炼自己实践能力的机会，也是检验我们在课堂上所学的知识是否扎实的时机。通过我们自己的观察才能对课上所学器件进行实际化，更能让我们记得更深更牢。当然也会对我们所掌握的知识进行补充，填补其中的空白，弥补其中的盲点。 由于我们的知识有限及时间的紧迫，课程设计中还有很多不足之处。如一些芯片的选择上，可能还有更好的芯片供选择使产生的三角波、正弦波更加标准，可调范围更大。参考文献1 李万臣，模拟电子技术基础实验与课程设计：哈尔滨工程大学出版社，20012 华成英，模拟电子技术基础：高等教育出版社，20053 董 平，模拟电子技术基础：电子工业出版社，20034 谢自美，电子线路设计实验测试：华中科技大学出版社，2008 5 J.C.Whitaker.Thermal Design of Elektronic Equipment,CRC Press LLC.Lond on2001 6 W.Janke.Zjawiska termiznew elementachi.ukladach polprzewodnik owych.WNT.Warszawa.1992Function signal generator designAbstract Pick to this system by comparator and integrators of square wave-triangle wave produces circuit, is used by the output pulse integrator get triangle wave, a triangle of sine wave transform circuit wave to mainly by differential amplifiers to complete. Differential amplifiers have used stability, high input impedance, the anti-interference ability is strong, etc. Especially as dc amplifier, can effectively suppress zero drift, and so can be very low frequency of the triangle wavelet transform into sine wave. Wave transform principle is to use differential amplifiers transmission characteristic curves of nonlinear. This system sine wave frequency in 10-10000 Hz range can be adjusted, the