函数信号发生器的设计与制作.doc

陕西理工学院课程设计函数信号发生器的设计与制作 摘要在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。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。 关键词 波形 信号 Multisim Protuse 测控Function signal generator design and productionfengfeifei（Shaanxi University of Technology shaanxi hanzhong 723000）Abstract：In electronic engineering, communication engineering, automatic control, telemetry control, measuring instrument and meter and computer technology field, often needs to be used various signal waveform generator. Along with the rapid development of integrated circuits, with integrated circuit can easily constitute various signal waveform generator. With integrated circuit realized signal waveform generator compared with other signal waveform generator, the waveform quality, amplitude and frequency stability and performance indicators, had the very big enhancement.Key words：wave signal Multisim Protuse observe and control 引言函数（波形）信号发生器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。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。1、方案论证与比较 1.1系统功能分析 本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下两种实现方案： 1.2方案分析与论证 方案一用分立元件组成的函数发生器。1.2.1正弦波发生电路：和放大电路不同， 自激振荡电路是一种不需要外加信号而能自己产生输出信号的电子电路。因此，常作为产生各种频率信号的信号发生器。振荡电路分为正弦波和非正弦波振荡器。本章介绍输出单一频率的正弦波振荡器，内容有自激振荡的产生与稳定和常用的两种类型振荡电路：LC振荡电路(包括石英晶体振荡电路)；RC振荡电路。LC振荡电路(包括石英晶体振荡电路):整个电路的电阻R=0（包括线圈、导线），从能量角度看没有其它形式的能向内能转化，即热损耗为零。 电感线圈L集中了全部电路的电感，电容器C集中了全部电路的电容，无潜布电容存在。 LC振荡电路在发生电磁振荡时不向外界空间辐射电磁波，是严格意义上的闭合电路，LC电路内部只发生线圈磁场能与电容器电场能之间的相互转化，即便是电容器内产生的变化电场，线圈内产生的变化磁场也没有按麦克斯韦的电磁场理论激发相应的磁场和电场，向周围空间辐射电磁波。 能产生大小和方向都都作周期发生变化的电流叫振荡电流。能产生振荡电流的电路叫振荡电路。其中最简单的振荡电路叫LC回路。如图（a）RC震荡电路：有相移式和桥式两种。 (1)RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。其振荡频率是 fo=1/26RC (2)RC桥式振荡器 将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。 如图所示，RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间，构成正反馈，Rf、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，构成负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成一文氏电桥电路（如图右所示），运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以，把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。1.2.2方波发生电路：下图（b）中通过R3引入了正反馈，通过R2引入了负反馈。 当电路刚上电时，电容两端电压为0，运放的负反馈系数近似为0，正反馈系数为Rb/（Rb+R1），显然正反馈大于负反馈，输出信号不断被反馈放大，直到运放饱和输出，同相和反相输入端电压差值不断增大，不再近似为0，而近似为Uz*Rb/（Rb+R1)。由于稳压管Uz的作用，输出端电压被限幅，输出保持为Uz。此后电容被不断充电，直到电容两端电压大于运放的同相输入端电压Uz*Rb/（Rb+R1)时，运放输出电压急剧降低，反相饱和输出，V0变为-Uz，同相输入端电压变为-Uz*Rb/（Rb+R1)，电容开始放电。 当电容两端电压降到比同相输入端电压低时，运放又饱和输出高电平依次循环，形成方波输出。(b)1.2.3三角波发生电路：对方波的积分，就是三角波。积分电路是运放给电容充电的原理组成的。如右图（c）,仿真图为（d）.图(c) 仿真图（d）1.2.4锯齿波发生电路：对占空比不同但平均值为0的方波（脉冲）的积分，就是锯齿波,如右图。积分电路是运放给电容充电的原理组成的。方案二：采用ICL8038芯片改变ICL8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz300KHz。1.3 ICL8038分析与描述1.3.1 ICL8038总体描述：ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路. 频率(或重复频率) 的选定从0.001Hz到300kHz可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成. 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，输出由温度和电源变化范围广而决定. 这个芯片和锁相回路作用， 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过250ppm。1.3.2封装引脚如右图：1.3.3特点：1、 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm/；2、 正弦波输出具有低于1%的失真度；3、 三角波输出具有0.1%奥线性度；4、 具有0.001MHz的频率输出范围；工作变化周期宽；5、 2%-98%之间任意可调；高的电平输出范围；6、 从TTL电平至28V；7、 具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；8、 易于应用，外部条件少；ICL8038内部原理框图134最大限值范围：供电电压 (V- to V+). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36V输入电压 (任何管脚) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .v - v + 输入电流（管4-5）. 25mA输出槽电流（管脚3和9）. 25mA工作条件温度范围 ICL8038AC, ICL8038BC, ICL8038CC . . . . . . . . . . . . 0 to 70（测试电路图）ICL8038内部详细的示意图2方案论证： 由于分立原件实现困难且稳定性不好，电路调试困难，ICL8038是技术成熟且稳定性好的一款芯片，电路连接简单，波形失真度小，综合考虑后用ICL8038芯片来完成波形的产生，下面是具体分析与实现的全过程。2.1.1应用信息（看功能图）外接电容C由两个恒流源充电和放电，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4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。2.1.2信号波形时间所有信号波形对称都可由外部时间电阻器来调整。两种可能的方式完成这被显示在表3 。最佳的结果通过保持时间电阻器RA和RB的独立(a) 。RA控制三角波，正弦波的上升的部份和矩形波的1 个状态。三角信号波形的大小被设置在1/3 电源电压; 因此三角的上升的部份是,三角波和正弦波下降部分和0 矩形波的状态是:当RA = RB.时占空比为50%如果占空比仅在50%小范围变化，连接列在图3b是稍微比较方便. 1k的电位器不能允许占空比达到50% 在所有仪器中。如果占空比达到50% , 电位器是用2k还是5k 。有两个独立的定时电阻器的频率为: 图2A . 方波占空比50% 图2B . 方波占空比80% 图2 . 相位关系波形图3A图3B图3 . 可以连接外部定时电阻时间和频率都不依赖于电源电压, 尽管所有的电压都不是由内部集成电路调节. 这归结于实际电流和门限是直接的，电源电压是线性函数，因而他们的不起作用。2.1.3减少失真 为了减小正弦波失真，在管脚11和12之间的82K电阻最好是可变电阻。这种安排使失真少于1%是可以达到的。为了减少得更多, 二台电位器可能按照上图4显示的连接; 这种典型构造使得正弦波失真减少近0.5%典型构造使得正弦波失真减少近0.5%。图4 .正弦波失真达到最低的连接2.1.4选择RA，RB和C对任何特定的输出频率,有广泛的RC组合工作, 然而, 为了最佳性能某些制约因素限制了充电电流大小. 在低端, 电流小于1a都是不可取的,因为在高温时电路的泄漏将产生重大误差. 高电流( I 5ma ) ,晶体管betas和饱和电压将有会使误差越来越大,因此. 最佳性能是充电电流的10a-1mA时获得的 . 如果管脚 7和8是短路的，充电电流的大小由RA确定,可以计算出: R1 和R2 被显示在详细的概要。相似的演算举为例 ,电容器数值应该被选择在取值最大的可能的范围内。2.1.5波形水平控制输出及电源发生器信号波形发电器可以单电源( 10v到30v )或双电源 ( 5v 15v )中工作。三角波和正弦波单电源平均水平的电压准确的是二分之一电源电压, 当矩形波在V+ 和接地之间交替。电源的分开提供的好处是所有信号波形的搬移关于地面对称方波输出不真实. 一个负载电阻可以连接到不同的电源， 只要外加电压仍然在波形发生器( 30v )崩溃限制内 . 这样一来, 方波输出可与TTL兼容(负载电阻连+5 v ) ,而波形发生器所需的一个更高的电压. 2.1.6调频和频率扫描 频率的波形发生器是一个直接作用在直流电压终端8 (由v + ) . 通过改变电压,频率调制完成. 小偏差(例如 10% )调制信号, 调整的信号可能直接是应用于管脚8 ，仅提供直流与解耦电容器如图5a . 管脚7和8之间的外部电阻是没有必要的, 但它可以用来增加输入阻抗约8k(管脚7和8连在一起) , 约( R + 8k) 为了较大调频偏差或扫频, 调节的信号是应用在正电压和管脚8 (图5B) 。这样整个电流源的斜线由调节信号产生, 而一个非常大(例如1000:1 )扫描范围设定( f = 0时vsweep =0)。然而, 为了调控电源电压必须非常小心,; 在这种构造中充电电流已不再是作为是一个电源电压(触发器的门限仍然作用) 因此，频率依赖于电源电压。隐藏的管脚8 可以从V+ /(1/3 VCC - 2V)下降。图5A调频的连接图5B频率扫描的连接 2.2 ICL8038典型应用正弦波输出有比较高的输出阻抗( 1k ) . 电路图6提供缓冲,增益和调幅. 一个简单工作放大器也被使用.图6 . 正弦波输出缓冲放大器采用双电源电压的外部电容器为了中断ICL8038 振荡管脚10可以缩短至地面. 图7显示了场效应开关， 二极管和选通信号的输入,使输出在开始总有相同的斜面. 图7音频脉冲滤波器为了获得1000:1打描一系列关于ICL8038的电压外部电阻器RA和RB必须降到几乎为零。 这就要求杂控制管脚8的最高电压超出RA和RB的电压的几百mv . 电路见图8通过二极管以降低ICL8038的有效电源电压达到这个用.管脚5上的大电阻有助于减少占空比与打描的变化. 线性扫描输入电压与输出频率在图10中通过用一个工作的放大器得到极大的改进。 图8 . 可变音频振荡器, 20Hz至20kHz2.3