模电课程设计——函数发生器.doc

武汉理工大学模拟电子技术基础课程设计说明书目录1 MULTISIM软件简介21.1 Multisim基本概念21.2 EDA介绍21.3 Multisim中的测试仪器和分析功能介绍32 函数发生器的几种设计方法42.1 基于555的函数发生器设计42.2 基于ICL8038函数发生器设计52.3 基于单片机的函数发生器设计83 函数发生器的设计框图84 函数发生器工作原理94.1函数发生器原理图94.2 方波三角波产生电路104.3 三角波正弦波转换电路的工作原理125.电路的参数选择及计算145.1方波-三角波中电容C1变化145.2三角波正弦波部分145.3函数发生器的电路图156.电路仿真156.1 方波-三角波发生电路的仿真及实物波形167 电路的安装与调试197.1方波三角波发生器的装调197.2三角波正弦波变换电路的装调197.3性能指标测量与误差分析208 实物展示及调试过程209 心得体会231 Multisim软件简介1.1 Multisim基本概念Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。图1-1-1 Multisim启动界面工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，您可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。1.2 EDA介绍EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。发达国家目前已经基本上不存在电子产品的手工设计。一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。EDA已经成为集成电路、印制电路板、电子整机系统设计的主要技术手段。美国NI公司（美国国家仪器公司）的Multisim 9软件就是这方面很好的一个工具。而且Multisim 9计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW 8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。这些在教学活动中已经得到了很好的体现。还有很重要的一点就是：计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。1.3 Multisim中的测试仪器和分析功能介绍提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量：Multimeter(万用表)，Function Generatoer(函数信号发生器)，Wattmeter(瓦特表)，Oscilloscope(示波器)，Bode Plotter(波特仪)，Word Generator(字符发生器)，Logic Analyzer(逻辑分析仪)，Logic Converter(逻辑转换仪)，Distortion Analyer(失真度仪)，Spectrum Analyzer(频谱仪)，Network Analyzer(网络分析仪)，Measurement Pribe(测量探针)，Four Channel Oscilloscope(四踪示波器)，Frequency Counter(频率计数器)，IV Analyzer(伏安特性分析仪)，Agilent Simulated Instruments(安捷伦仿真仪器)，Agilent Oscilloscope(安捷伦示波器)，Tektronix Simulated Oscilloscope(泰克仿真示波器)，Voltmeter(伏特表)，Ammeter(安培表)，Current Probe(电流探针)，Lab VIEW Instrument(Lab VIEW仪器)。Multisimt提供了许多分析功能：DC Operating Point Analysis（直流工作点分析 ），AC Analysis（交流分析），Transient Analysis（瞬态分析），Fourier Analysis（傅里叶分析），Noise Analysis（噪声分析），Distortion Analysis（失真度分析），DC Sweep Analysis（直流扫描分析），DC and AC Sensitvity Analysis（直流和交流灵敏度分析），Parameter Sweep Analysis（参数扫描分析），Temperature Sweep Analysis（温度扫描分析），Transfer Function Analysis（传输函数分析），Worst Case Analysis（最差情况分析）， Pole Zero Analysis（零级分析），Monte Carlo Analysis（蒙特卡罗分析），Trace Width Analysis（线宽分析），Nested Sweep Analysis（嵌套扫描分析），Batched Analysis（批处理分析），User Defined Analysis（用户自定义分析）。2 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2-1-1 555定时器构成的函数发生器图2-1-2 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。2.2 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2-2-1 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2-2-2 ICL8038管脚图图2-2-2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2-2-4 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2-2-5 仿真波形图2.3 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。3 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3-1-1 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。4 函数发生器工作原理4.1函数发生器原理图图4-1三角波方波正弦波函数发生器实验电路4.2 方波三角波产生电路图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4-2-1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 （4-2-1）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 （4-2-2）若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 （4-2-3）比较器的门限宽度 （4-2-4）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4-2-2 比较器电压传输特性图4-2-3 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 （4-2-5）当时， （4-2-6）当时， （4-2-7）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 （4-2-8）方波-三角波的频率为 （4-2-9）由式（4-2-8）以及（4-2-9）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。4.3 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： （4-3-1）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 （4-3-2）式中Um三角波的幅度；T三角波的周期。将式（4-3-2）代入式（4-3-1）得 （4-3-3）用计算机对式（4-3-3）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4-3-1所示：图4-3-1 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4-3-2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4-3-2 三角波正弦波变换电路 5.电路的参数选择及计算5.1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。5.2三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 （5-2-1）取，取，为的电位器。取平衡电阻 由式（4-2-9）得 （5-2-2）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。5.3函数发生器的电路图函数发生器整体电路图如图5-3-1所示。图5-3-1 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。6.电路仿真6.1 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6-1-1、6-1-2、6-1-3分别为方波、三角波、正弦波的输出波形。图6-1-1 输出方波图6-1-2 输出三角波图6-1-3 输出正弦波以下是实物波形图：图6-1-4 函数发生器输出正弦波图6-1-5 函数发生器输出三角波图6-1-6 函数发生器输出正弦波7 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。7.1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。7.2三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波形。7.3性能指标测量与误差分析1）方波输出电压Upp2Vcc，是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。2）方波的上升时间tr，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的限制。可接加速电容C1(C1一般为几十皮法)。用示波器或脉冲示波器测量tr 。8 实物展示及调试过程根据原理图制作的作品如下：图8-1-1 实物图正面图8-1-2 实物图背面调试过程及波形图如下：图8-1-3 方波调试过程图8-1-4 正弦波调试过程图8-1-5 三角波调试过程图8-1-5 正弦波调试过程9 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。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