信号发生器 设计.doc

IIII 实用信号源的设计与制作院（系）名 称：传媒工程系专 业 名 称 ：电子信息工程学 生 姓 名 ：李今鸣指 导 教 师 ：张占红二零一零年九月 摘要 实用信号源，能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。正弦波的产生采用RC桥式正弦波振荡电路。由集成运放，电阻，电容，二极管组成。集成运算放大器构成的RC桥式振荡电路，具有性能稳定，电路简单等优点。 方波的产生采用带正反馈的电压比较器，即滞回比较器， 它在滞回比较器的基础上，增加了一条RC充，放电负反馈支路构成。电路中的双向稳压管和电阻R构成稳压电路，限制输出（正向和负向）的幅度。 三角波的产生由运放及电阻组成的同向滞回比较器和运放及电阻电容组成的反向有源积分器构成。提高了线性度，降低了失真度。三种波形的频率范围可从几个微赫到几十兆赫，因此实用信号源在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。 一 系统方案 1.1 实用信号源的基本原理设计方案： 1. 先设计振荡电路产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波。2. 用单片集成芯片IC8038实现，但这种方案要求幅度和频率都可调，可采用数字电位器加程控放大器实现。3. 用单片机和A/D转换器实现，编写相应的程序即可实现位器加程控放大器实现。在本论文中采取第一种方式来设计实用信号源，这种方式即可以得到多种不同的波形，而且具有频率宽，功能齐全，外围电路简单，调整方便等优点。1.1.2 实用信号源的组成框图 图1-1 信号源组成框图 由正弦波发生电路产生正弦波作为输入，经过比较器后，就会输出方波，然后将方波作为输入，在经过积分器后，就会输出三角波。1.2实用信号源的实现电路1.2.1电路起振分析 正弦波产生电路框图： 图1-2 正弦波产生电路框图 图1-2（a）所示，在信号中频区连接成负反馈系统，在高频区或低频区，由于存在附加相移，可能是反馈信号变成了正反馈信号。如环路增益较大，满足自激振荡条件=-1，则负反馈放大电路将产生自激振荡。此时，即使，而=-，电路亦能输出一定幅度的某一频率的信号波形。由此可见，若电路连接成正反馈系统，如（b），当满足=时，反馈系统产生自激，及电路进入了自激振荡状态。正弦波振荡电路的振荡条件：在电路进入稳定振荡状态时： = （1-1）当振荡电路接通电源时，会产生微小的噪声或扰动信号，放大电路从中获得初始的激励信号，经放大正反馈再放大再正反馈的循环过程，振荡输出电压便由小到大地逐渐建立起来。在起始阶段，由于激励信号很微弱，因此，振荡电路要求每次正反馈到输入端的信号幅度要比前一次大，以激励起振荡。即要求。即起振条件为：1 （1-2）上式表明，为了使振荡电路在接通电源后能自行起振，除要求 ，即反馈信号与输入信号相位相同外，在幅度上必须使 AF1。 振荡的平衡条件：=1 （1-3） （1-4）只有同时满足这两个条件，才能维持在具有一定频率的等幅振荡上。综上所述，一个振荡电路要产生自激振荡，必须满足1. 即AF1和，其中相位条件是先决条件；而振荡要稳定，又必须满足AF=1。1.3 实用信号源的设计要求信号发生器是用来产生各种不同类型的电子信号的仪器，如正弦波、三角波、方波等。能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形，输出信号频率在10100Hz，1001KHz，110KHz范围内可调二 电路设计2.1 正弦波发生电路 正弦波的产生采用RC桥式正弦波振荡电路如图2-1所示，其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 图2-1 RC桥式正弦波振荡电路2.2 方波发生电路 基本方波发生电路如图2-2是由滞回比较电路和无源积分电路构成。图中运放A及R ，R 组成反相滞回比较电路，基准电压由正反馈网络R ，R对输出电压分压取得。R，C组成无源积分电路，产生比较电压U。双向稳压管D和限流电阻R组成稳压电路，限制输出（正向和负向）幅度为（V+V）。图2-2 方波发生电路2.3 三角波发生电路三角波发生电路如图2-3所示，它由运放A及R，R组成的同相滞回比较器和运放A及R，C组成的反相有源积分器构成。双向稳压管D和限流电阻R 组成稳压电路用于限制A输出电压的幅值，即V=(V+V)。图2-3 三角波发生电路2.4 信号源结构图图 2-4信号源结构图 图2-4是信号源的结构图，是由正弦波、方波和三角波三种波形的电路图组成的。信号由正弦波发生电路产生，经过方波电路后输出方波，再经过三角波电路输出三角波。第三章 理论分析与计算3.1 正弦波发生电路频率 根据图2-1知：电路的振荡频率： （3-1）题目要求正弦波的输出频率为10100Hz，即=10H =100H由公式（3-1）得： RC= （3-2）则当=10H时，RC= 则R=10k C=1.5当=100Hz时， RC= 则R=1.1k C=1.5在谐振时只需要改变电阻的阻值，就能实现频率的变换，且变换在10100Hz。3.2 方波发生电路频率根据图2-2知：电路输出的矩形波电压的周期T取决于充，放电的RC时间常数。可以证明其周期为： T=2.2RC （3-3）则振荡频率为： = （3-4）课题要求输出频率为1001kHz，即由公式（3-4）得： RC= （3-5）则当时，RC= 若只改变电阻，不改变电容，则有C=0.1 R=45k当时，RC= 则R=4.5k在此电路中只需改变电阻R就能实现频率的变换，且在1001kHz之内变换。3.3 三角波发生电路频率根据图2-3知：三角波电路周期为: T= （3-6）频率为: （3-7）课题要求是频率在110k,即，由公式（3-7）知： RC= （3-8）即当时， RC= 只改变电阻，电容选用C=0.1，则R=5k当时，RC= 则R=500 在电容为C=0.1，电阻为5005k时，频率在110k变化。第四章 ICL8038芯片简介及应用4.1 引言ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。4.2 ICL8038芯片简介4.2.1 ICL8038性能特点具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。4.2.2 ICL8038管脚功能图1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)：图4-1ICL8038管脚图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。4.3 基本电路的工作原理 ICL8038的内部框图如图2所示图4-2ICL8038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。适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当满意。4.4 实用信号源与ICL8038性能比较对于第一章提到的三种方案中，方案一与方案二中三角波正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共通的地方就是都要认真的搭建波形变换电路图。而方案三采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，我们首先抛弃的是第三种方案，因为它是牺牲了成本来换取的方便。其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件，虽然这两种方案简单而且元器件易与购买，但是由于ICL8038需要采用性能稳定，温度系数小的金属化电容器且尽量选择温度系数小，精度高的金属电阻和精密多圈电位器的前提，考虑到条件的限制，所以就选择方案一为最终的设计方案。四 测试方案4.1 连接和测试电路 步骤： 1、按照电路图焊接好电路板。2、调试前，将电路板接入12伏电压，地线与电源处公共地线连接.4.1.1 频率范围:为便于测量,将电路板上的正弦波信号接入示波器, 调节R的阻值,并测出此时方波信号频率的变化范围并记录方波信号频率的变化范围,结果如下:电阻电容频率10k1.510.6Hz5k1.521.23Hz1.1k1.596.5Hz正弦波 方波 电阻 电容频率45k0.1101.1 Hz10k0.1454.5Hz4.5k0.11010.1 Hz三角波 电阻 电容频率5k0.11kHz1k0.15kHz5000.110kHz由上表可知，三种波形的频率基本上可以达到课题要求。4.1.2 输出电压： 正弦波：将正弦波信号接入示波器，调节R ,测得正弦波频率为10100Hz基本上能到达课题要求。 方波：电路板上方波信号接入示波器，调节R ,测得频率为1001kHz可见所得值与性能指标中的一致。 三角波：电路板上三角波信号接入示波器，调节R , 测得三角波频率为1K10K也能达到课题的要求。4.2 调试与分析电路 实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。4.2.1 调试前的检查 在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括：1.检查导线的连线状况 检查的方法通常有两种方法：（1） 按照电路图检查安装的线路。这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。（2） 按照实际线路来对照原理图电路进行查线。这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。2.检查元器件的安装情况检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。4.2.2 调试方法与原则（1）通电观察把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。（2）静态调试交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。静态调试过程：如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。（3）动态调试调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并