函数信号发生器设计.doc

函数信号发生器设计报告学生姓名 专业班级： 指导教师： 工作单位：电子信息工程系 题 目: 函数信号发生器设计 初始条件：1.模拟电子线路基础知识，比较器积分器和正弦波振荡电路部分。2. Multisim软件仿真及PCB电路板制作相关知识。要求完成的主要任务:1.根据理论知识书写课程设计报告。2.按照要求调试电路功能，利用Multisim软件得到最终仿真结果。设计任务：1.频率可调范围：1Hz100Hz；2.输出电压：正弦波VPP=012V,三角波VPP=08V,方波VPP=024V；3.输出电压幅度连续可调。指导教师签名： 目录摘要11总体电路方案设计与选择11.1设计要求11.2设计的基本方案11.3选择的最终设计方案12函数发生器的实现42.1原理图的设计42.2元件参数的计算92.3电路仿真103函数发生器的调试113.1调试过程与结果分析113.2调试结果分析及结论124元器件清单135 PCB电路板136课设总结147参考文献15摘要函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。本次课程设计是要求做一个能够产生方波-三角波-正弦波的函数发生器.众所周知,制作函数发生器的电路有很多种.设计采用的电路可基于运放和晶体三极管的试验电路。各种波形频率段的调整可以由外电路的改变来实现,例如,通过改变电容的值来改变各波形的频率，通过输出接滑动变阻器来实现幅值的可调。电路的原理部分的设计,可以是先设计单元电路，然后将各输入输出连接起来。本次试验中,先利用电压比较器电路产生方波，然后是通过积分电路产生三角波；正弦波可利用RC正弦波震荡电路产生。关键部分：RC正弦波振荡电路、比较器积分电路等。1总体电路方案设计与选择1.1设计要求：（1）频率可调范围：1Hz100Hz；（2）输出电压：正弦波VPP=012V, 三角波VPP=08V, 方波VPP=024V；（3）输出电压幅度连续可调。1.2设计的基本方案方案一：由RC桥式电路振荡产生正弦波，再利用比较器积分电路产生方波和三角波。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，然后由积分电路产生三角波，最后经差分放大电路产生正弦波。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产生信号可行，且涉及到的知识全部为已学的。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：有关利用差分放大实现三角波到正弦波转换没学习过，但原理不难，亦可采用。1.3最终设计方案的选择各个方案的原理图：1 由运算放大器进行设计,如图1-2所示：图1-2函数发生器原理图1采用振荡电路获得正弦波,再由比较器获得方波,最后通过积分电路获得三角波。2 采用集成片ICL8038做函数信号发生器，如图1-3所示：图1-3 函数发生器原理图2这是一种集成度很高的芯片，只要外加上电源，就能得到很完美的波形。3 采用比较器和积分器分别获得方波和三角波,再用晶体三极管组成的差分放大电路做三角波到正弦波的转换，如图1-4所示：图1-4 函数发生器原理图3综合考虑选择方案12函数发生器的实现2.1原理图的设计1）方波-三角波产生电路下图所示的电路能自动产生方波-三角波。电路工作原理如下：（1）若a点（R2左端）断开，运算放大器A1与R1、R2、RP1组成电压比较器，运放的反向端接基准电压，即V-=0，同向输入端接输入电压Via；比较器的输出Vo1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V+=V-=0时，比较器翻转，输出Vo1从高电平+Vcc跳转到低电平-Vee，或从低电平跳到高电平。A）.设vo1=+Vcc,则式中RP1指电位器的调整值，（下同），将上式整理，可知比较器下门限电位B).当vo1=+Vcc,则比较翻转器上门限电位 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时，则输出积分器的电压为当Vo1=+Vcc时当Vo1=-VEE时可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图5所示。（2）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。三角波的幅度为 方波三角波的频率为 由上分析可知：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。方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。 图4 电压比较器原理波形图 图5 方波-三角波波形2）正弦波产生电路下图所示的电路能自激振荡产生正弦波。电路工作原理如下：该电路由三部分组成：作为基本放大器的运放；具有选频功能的正反馈网络；具有稳幅功能的负反馈网络。1RC串并联正反馈网络的选频特性。 电路结构如图2所示。一般取两电阻值和两电容值分别相等。由分压关系可得正反馈网络的反馈系数表达式：令，则上式为-+图2+由上式可得RC串并联正反馈网络的幅频特性和相频特性的表达式和相应曲线（如图3和图4所示）。F-9090图4 相频特性曲线图3 幅频特性曲线01/30由特性曲线图可知，当0时，正反馈系数达最大值为1/3，且反馈信号与输入信号同相位，即F0，满足振荡条件中的相位平衡条件，此时电路产生谐振01/RC为振荡电路的输出正弦波的角频率，即谐振频率fo为当输入信号的角频率低于0时，反馈信号的相位超前，相位差F为正值；而当输入信号的角频率高于0时，反馈信号的相位滞后，相位差F为负值。2、带稳幅环节的负反馈支路由上分析可知，正反馈选频网络在满足相位平衡的条件下，其反馈量为最大，是三分之一。因此为满足幅值平衡条件，这样与负反馈网络组成的负反馈放大器的放大倍数应为三倍。为起振方便应略大于三倍。由于放大器接成同相比例放大器，放大倍数需满足=1+，故2。为此，线路中设置电位器进行调节。为了输出波形不失真且起振容易，在负反馈支路中接入非线性器件来自动调节负反馈量，是非常必要的。方法可以有很多种。有接热敏电阻的，有接场效应管的（压控器件），本实验是利用二极管的非线性特性来实现稳幅的。其稳幅原理可从二极管的伏安特性曲线得到解答。如图5所示。iDvDID2ID1VD1VD2Q1Q2图5 在二极管伏安特性曲线的弯曲部分，具有非线性特性。从图中可以看出，在Q点，PN结的等效动态电阻为；而在Q点,PN结的等效动态电阻为；显然，；也就是说，当振荡器的输出电压幅度增大时，二极管的等效电阻减少，负反馈量增大，从而抑制输出正弦波幅度的增大，达到稳幅的目的。通过Rp调节负反馈量，将振荡器输出正弦波控制在较小幅度，正弦波的失真度很小，振荡频率接近估算值；反之则失真度增大，且振荡频率偏低。这是在实验中应当注意的。3)函数发生器整体电路图2.2元件参数的计算比较器和积分器的元件参数计算如下：由理论分析知道比较器的输出电压即约等于电源电压,为了输出峰峰值为16v的方波电压,因此选择电源电压为8v和-8v.要求输出的三角波峰峰值为4v,即是要求 R2/(R3+RP1)=2/8=1/4,则可以取R2=10K,R3=20K,RP1=47K.平衡电阻R1=R2/(R3+RP1)约等于10k。由频率输出的表达式 R4+RP2=R3+RP1/(4R2C2f) 知道：当1Hzf10Hz时,取电容C1=10uf,R4=5.1K,RP2=100k。当10Hzf100Hz时,取电容C2=1uf,来实现频率波段的转换,R4和RP2的值不变.取平衡电阻R5=10K。2.3电路仿真方波：三角波：正弦波：3函数发生器调试（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（2.570）内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02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,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变.（2）正弦波调试 对于RC桥式正弦波产生电路可以通过同时调节两个滑动变阻器来改变T从而可以改变正弦波的频率；至于幅值，可以通过输出端接一个滑动变阻器，然后调节滑动触头来改变输出正弦波幅值。4元件清单序号名称型号数量1电阻10K32电阻20K13电阻5.1K14电阻1K15电阻1.8K16电位器100k57电位器50K28电容1f19电容10f110电容100nf212运算放大器OPA2604AP213运算放大器LM324AJ114二极管1BH6225 PCB电路板6课设总结：本次课程设计建立在集成运放的基础上，是对课本中已学的信号发生电路的一个综合，加强了我们对课本上知识的思考及动手实践能力。在一个星期的资料收集过程中，我先了解了函数发生器的原理，接着开始着手其设计方案，在网上以及参考书上了解到了几种可用于产生波形的电路以及用单片机设计函数发生器的方法，经过分析各自的优劣并结合自己现有的知识水平，我选择了上述设计方案。接着便开始根据课程设计的具体要求对电路进行修改，并通过计算进行参数设置。这之中的过程都是一些小问题，但这也说明了平时课本上知识应当学扎实，这样才不至于在实际应用的时候找不到头绪，真正达到理论与实际结合的效果。在选用元器件时，才发现某些元件型号找不到，于是便又通过重新的查找资料确定型号来代替，这使我们认识到在之前的准备工作中就应该有一个备案用来替补。而我们在以后的学习中就要培养这样的习惯，使自己做到做事有条不紊，提高学习效率。这次的模拟电子技术课程设计，虽然在这个过程中我遇到了不少的困难，但最后都通过各种方法解决了，同时我感受到了自己动手的乐趣，平时单学习理论知识可能会感到很枯燥，但要是把理论与实践结合起来的话，就会使自己更有求知的渴望。当我们拿到课题就开始设计方案，在考虑了众多的方案后最终总算定下来了，选了一个我认为我自己能弄出来的自己有办法能解决的，能够通过自己的努力做出来的，通过自己的努力最终能够有所收获，能够达到其设计的目的。在遇到问题后能够努力解决问题，也学会