函数信号发生器.doc

电子技术课程设计报告 题 目 函数信号发生器 学院（部） 电子与控制工程学院 专 业 电子科学与技术 班 级 32050701 学生姓名 郑文浩 学 号 3205070118 指导教师（签字） 前 言本次电子技术课程设计是指通过所学知识并扩展相关知识面，设计出任务所要求功能的电路，利用计算机辅助设计的电路仿真，检测并调整电路，设计功能完整的电路图。我们所选择的课设题目是低频函数信号发生器。在资料收集后，将设计过程分为三部分：一是系统模块设计，设计电路的系统思想，设计出能满足电路功能的各个模块，画出系统的框图。二是针对各个模块分别设计电路的各个具体模块的具体电路，并且分别进行仿真和改进。三是将所有的模块综合在一起，画出系统总图，并用multisim软件进行仿真，针对仿真过程中出现的一些问题仔细检查，对比各个方案的优点和缺点，选出最佳的方案，修改不完善的部分。最后，对此次课程设计进行总结，反思自己在各个方面的不足，对设计方案中的各个思想进行归纳总结，比较各种方案的优缺点，总结每种设计方案的应用领域和使用范围，为以后得学习实践提供经验。最终提高我们的学习和动手能力。目 录函数信号发生器3第一章函数信号发生器系统概述41.1总体设计方案论证及选择41.2函数发生器的系统总方案框图5第二章 模块划分及单元电路设计分析62.1信号发生电路设计总框图62.3 方波三角波转换电路原理图72.4三角波正弦波转换电路原理图82.5数字显示输出信号频率和电压幅值92.6对选取的最后方案的综述：92.7各组成部分的工作原理92.8显示部分122.9电路的参数选择及计算14第三章 系统综述、总体电路图153.1方波-三角波-正弦波函数发生器实验电路153.2显示部分电路图163.3 电路仿真16第四章 结束语18参考文献19表一 元器件明细表20收获与体会：21函数信号发生器摘要：本实验中的信号发生器是根据自激振荡原理，使电路在没有外部激励时也能够输出持续稳定的信号波形。通过对信号发生器设计掌握正弦波产生的条件，频率振幅的调节。掌握矩形波产生的原理，占空比的调节及频率、振幅的调节。该发生器能输出频率 、振幅可调的正弦波。频率、振幅可调的方波以及三角波。最后利用转化的思想，运用F/V变换器芯片LM331将输出的频率转化为电压数值来显示，以减少显示量。显示部分采用A/D转换器（ICL7135）经过一个五路达林顿管5G1413S来控制CD4513显示。 本课题要求输出波形应有： 方波、三角形、正弦波。要完成此方案的方法有许多，既可以使用分立元件（如低频信号发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）本课题决定采用集成运算放大器（MC4558）与晶体管差分放大器组成的方波三角波正弦波函数信号发生器的设计方法。关键字：函数发生器 F/V (LM331 ) A/D(ICL7135) 5G1413S CD4513 运算放大器（MC4558）设计要求：1. 信号频率范围1HZ100kHZ；2. 输出波形应有： 方波、三角形、正弦波；3. 输出信号幅值范围010V；4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。第一章函数信号发生器系统概述1.1总体设计方案论证及选择方案一：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，原理方框见图1图一：由RC网络的转换流程电路图方案二：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 方案三：采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。方案四：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。可行性分析：在以上四种方案，方案一：用RC桥式电路及整形积分电路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；方案二中，应用芯片，由运放，电位器等组成的多功能函数信号发生器，精确度高，但过于复杂；方案三，知识所限，复杂；方案四，产生信号相对简单。所以选择第四种方案。 1.2函数发生器的系统总方案框图 信号发生装置中间环节F/V(LM331)电压显示A/D转换图二：函数发生器的系统总方案框图第二章 模块划分及单元电路设计分析2.1信号发生电路设计总框图三个波形之间的转换有许多方法，考虑到学习知识的程度，以及自身的认识及掌握知识的程度，我们采用方波三角波正弦波的转化方向。波形的发生总框图，如下图差分放大器积分器比较器图三：函数发生器组成框图2.2方波发生电路2.2.1 方案选择 方案一：本方案是利用迟滞比较器和RC积分延时电路直接产生方波。它把积分电路的输出量反馈到迟滞比较器的输入端，再把迟滞比较器输出的方波作为积分电路的输入。利用反馈来实现两个波形之间的转换，简单，易行。方案二：本方案是利用555定时器组成的施密特触发器来产生方波，但是前提要求输入的是一个三角波，条件比较苛刻，考虑到实际模拟时，前级的输出不一定就是三角波，可能导致输出的波形不符合要求。综合考虑：本设计采用方案一下图为产生方波的电路：（其中2为方波的输入端，4为方波的输出端，即三角波电路的输入端）图四：方波发生原理电路图2.3 方波三角波转换电路原理图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。（其中4为图一方波的输入端，5为三角波的输出端）图五：方波三角波转化电路图2.4三角波正弦波转换电路原理图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。（其中2为前级的三角波输入端，7为正弦波的输出端） 图六：正弦波转换电路2.5数字显示输出信号频率和电压幅值方案一：可以利用V/F转换，将电压转换为频率，然后利用计数器原理，对频率进行计数，之后，在依据电压与频率的转换关系，对电压值进行测量。方案二：可以利用F/V转换器（LM331）将要测量的频率转换为电压值，本实验同时还要对输出的电压幅值进行显示，这样以减少显示难度。综上：在本课题中我们采用方案二。2.6对选取的最后方案的综述：1方波与三角波电路，采用电压比较器还有积分电路实现波形的产生2三角波正弦波电路，采用稳定性好，以调节的差分放大电路。3显示电路先利用F/V转换器（LM331）得到模拟量，在利用ICL7135对模拟量进行数字化，并显示出来。2.7各组成部分的工作原理2.7.1方波-三角波转换电路的安装调试若a点断开，运算发大器A1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 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。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，其波形关系下图所示。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。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。2.7.2三角波-正弦波转换电路的安装调试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。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。图七：三角波正弦波电路图2.8显示部分2.8.1关于F/V转换理论分析LM331是一种性能价格比较高的集成芯片，很适合用做A/D转换器，精密频率电压转换器，长时间积分器，线性频率调制或解调及其他功能电路。LM331使用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和电源电压地4.0V时都有极高的精度。精密定时电路具有低的偏置电流，而且，100KHz的F/V转换所需要的高速响应也没有退化现象。其中满量程频率范围：1100KkhZ.图八：F/V转换电路上图是由LM331F/V转换构成的转换电路。其中9为频率fi的输入端。其输出关系可以表示为：V0=-fi*2.09*RfRtCt/Rs。由上面两个关系式都可以看出，fi正比于V0，满足F/V转换关系。电路中，输入脉冲频率fi经过CR网络借到电压比较器阀值端上，脉冲的下降沿使输入比较器触发定时电路。与V/F转换电路相同，1脚流出的平均电流I=i（1.1RtCt）fi，将此电流经过RC网络滤波几颗得到与fi信号频率成正比的直流电压。在图中，由于运算放大器的缓冲作用，实现了栓鸡丁的滤波功能，对于所有高于1KHz的频率，纹峰值小于5m V,且响应时间按跟快，但对于低频输入信号，电路的文峰将会很差。因此，使用时需进行调整，一满足响应时间和足够小的文峰的需要。2.8.2关于显示部分的理论分析：本显示电路采用集成的芯片ICL7135，外加少量的原件，便可以将输入的模拟信号变成数字信号输出，经过一个五路达林顿管5G1314S，去驱动共阴极数码管。CD4513为BCD七段锁存/译码/驱动器（无效零不显示），4513的七段输出每段带五个相同段，仅最高位只接b，c段，极性指示由另一个晶体管驱动。调节RP2，使IC1的震荡频率在120KHz左右。2.9电路的参数选择及计算2.9.1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）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。2.9.2.三角波-正弦波部分当时，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。RE2=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。第三章 系统综述、总体电路图3.1方波-三角波-正弦波函数发生器实验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 图九 方波-三角波-正弦波函数发生器实验电路3.2显示部分电路图图十：显示电路3.3 电路仿真3.3.1方波-三角波发生电路的仿真图1：方波图像图2：三角波图像图3：接在双通道示波器得到的波形图332 三角波-正弦波转换电路的仿真图4正弦波波形图第四章 结束语函数信号发生器是本次课程设计的较难的一个题目，经过十天的团队合作，我们勉强完成了本课题所需要求。本设计最大的特色就是信号发生流程相对简单明了，易于理解。但是，它的难度：电路对各元件的参数选择要求比较高，调整波形相对而言不方便。，这些问题仅是受我们自身条件的限制，以及时间有限，还没能完美解决。直接数字频率合成器也就是DDS却可以很好解决这个问题。在过程中尝试了一下，从理论到实际操作，虽然还有一段距离，但是，可以肯定，这是一个很不错的解决方法。参考文献1林涛数字电子技术清华大学出版社2006年6月（ISBN 978-7-302-12064-3）2林涛模拟电子技术重庆大学出版社2004年12月(ISBN 7-5623-2831-X/TN70)3黄志伟全国大学生电子设计竞赛北京航天航空大学出版社2007年2月（ISBN978-7-81077-983-8）4赵文博新型常用集成电路速查手册人民邮电出版社2006年1月（ISBN7-115-13821-4/TN2578）5王伊娜Multisim8国防工业出版社2006年6月（IBSN7-11804542-X）6. 杨刚 周群 电子系统设计与实践 2005年1月电子工业出版社（ISBN7-5053-9593-9）7.谢自美 电子线路设计，实验