函数发生器的设计与制作VIP

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电路模拟电路 课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 函数发生器的设计与制作函数发生器的设计与制作 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2013 07 012013 07 01 2013 07 132013 07 13 本科生课程设计 论文 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 教研室 学 号学生姓名专业班级 课程设计 论文 题目 函数发生器的设计与制作函数发生器的设计与制作 课程设计 论文 任务 设计任务 1 波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路 现设计并制作能产生方波 三角波及正弦波等多种波形信号输出的函数发生器 2 设计电路所需的直流稳压电源 功能要求 1 输出的各种波形工作频率范围 0 02Hz 1kHz 连续可调 2 正弦波幅值 10V 失真度小于 1 5 3 方波幅值 10V 4 三角波峰峰值 20V 各种输出波形幅值均连续可调 设计要求 1 分析设计要求 明确性能指标 必须仔细分析课题要求 性能 指标及应用环境等 广 开思路 构思出各种总体方案 绘制结构框图 2 确定合理的总体方案 对各种方案进行比较 以电路的先进性 结构的繁简 成本的高 低及制作的难易等方面作综合比较 并考虑器件的来源 敲定可行方案 3 设计各单元电路 总体方案化整为零 分解成若干子系统或单元电路 逐个设计 4 组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局 通常是按信号的流向 采用左进右出的规律 摆放各电路 并标出必要的说明 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 3 摘 要 函数发生器是一种能够产生大量标准信号和用户定义信号 具有高精度 可重 复性 易操作性 对频率 幅值 相移 波形进行动态及时的控制的一类新型信号 源 本设计的设计方案是把滞回比较器和积分器首尾相接组成一个正反馈闭环系统 则 比较器输出的方波经过积分器可得到三角波 三角波又触发比较器自动翻转形成法 波 三角波 正弦波的转换电路主要由差分放大电路来完成 差分放大电路具有工 作点稳定 输入阻抗高 抗干扰能力强等优点 特别是作为直流放大器 可以有效 抑制零点漂移 因此可以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 关键词 信号源 滞回比较器 积分器 差分放大器 本科生课程设计 论文 4 目录 第一章 绪论 5 1 1 函数发生器的设计意义 5 1 2 函数发生器的设计要求及技术指标 5 1 2 1 设计要求 5 1 2 2 技术指标 5 1 3 函数发生器设计方案的论证 6 1 4 总体设计方案的框图 7 第二章 函数发生器各单元电路设计 8 2 1 电源的设计 8 2 2 方波 三角波转换的电路设计 8 2 3 三角波 正弦波转换的电路设计 11 第三章 函数发生器整体电路设计 13 3 1 总电路图设计 13 3 2 元件参数的计算 13 3 3 电路仿真结果 14 3 3 1 方波 三角波输出波形 14 3 3 2 正弦波输出波形 15 第四章 课程设计总结 16 参考文献 16 附录 1 总体电路图 17 附录 2 元器件清单 18 本科生课程设计 论文 5 第一章 绪论 1 1 设计意义 信号发生器亦称函数发生器 主要作为实验用信号源 是现今各种电子电路实验设计应用 中必不可少的仪器设备之一 目前 市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成 波形种 类多为锯齿 正弦 方波 三角等波形 函数信号发生器本来是一种超低频仪器 不打为所注意 但近几年来 情况发 生了极大的变化 现在函数发生器 不仅可以产生各种各样的数学波形 而且还具 有某些专用仪器的能力 如频率合成 扫描 调制 调幅 调频与调相 以上这些 功能在台式函数发生器与调控函数发生器与程控函数发生器之间权衡选用 前者常 被称作 便携式 后者通常用于自动测试的设备中 由于函数发生器性能价格比较 很好 应用范围日益扩大 据报道 函数发生器在国外已成为设计人员在工作台上 不可缺少的信号源 所有先进的函数发生器都具有这样或那样的灵活性 由外部电压选择发生器的 频率是它的共同点 另一特点是 滞留偏置可调 可按具体实验要求调节输出信号 的直流电平 波形空度比可调 因而波形形状可变 许多函数发生器具有可调的起 止相位鉴别器 相位锁定 以及具有触发输入或 门控输出的选择 有的发生器还可以借操作人员把伪隨机噪声加到波形上 以使用 于噪声环境 也可以把所有产生的信号相位锁定于外接源的相位上 函数发生器是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一 1 2 设计要求 1 输出的各种波形工作频率范围 0 02Hz 1kHz 连续可调 2 正弦波幅值 10V 失真度小于 1 5 3 方波幅值 10V 4 三角波峰峰值 20V 各种输出波形幅值均连续可调 1 3 总体电路方案设计与选择 方案一 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 本科生课程设计 论文 6 三角波和正弦波 采用集成片 ICL8038 做函数信号发生器 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 方案二 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 方案三 利用比较器产生方波 后用积分器产生三角波 经过 Rc 电路产生正 弦波 采用比较器和积分器分别获得方波和三角波 再用 Rc 电路做三角波到正弦波 的转换 可行性分析 在以上三种方案 方案一 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 方案二 知识所限 复杂 方案三 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 Rc 电路来完成 Rc 电路具有工作点稳定 输入阻抗高 抗干扰能力较强等优点 通过比较 本设计选用方案三 1 4函数发生器总体设计方案框图 电路由电源 比较器 积分器 Rc 电路组成 振荡电路主要产生具有一定频率要求的信号 它决定了函数发生器的输出信号 的频率调节范围 调节方式和频率的稳定度 在要求不高的场合 电路往往以需要 产生的波形中的一种信号作为振荡信号 常用的振荡器有脉冲振荡器和正弦波振荡 器 该部分主要考虑信号频率调节范围和频率的稳定度 波形变换器功能是对振荡源产生的信号进行变换和处理 形成各种所需的信号 波形 重点考虑波形的失真问题 通过采取各种措施尽可能使波形失真减少 输出电路是对各路波形信号进行幅度均衡和切换 并完成信号幅度的调节 功能 重点考虑输出端的特性 如输出波形的最大幅值 输出功率和输出阻抗等 如图 1 1 本科生课程设计 论文 7 分分分分分分分分分分分 123 图 1 1 原理框图 本科生课程设计 论文 8 第二章 函数发生器的单元电路设计 2 1 电源的设计 如图 2 1 是由 LM117 和 LM137 组成的正 负输出电压可调的稳压器 电路中的 VREF V31 或 V21 1 2V R1 R 1 120 240 为保证空载情况下输出电压稳定 该电路输出电压调节范围确定 该电路输入电压 V1 分别为 25V 则输出电压可调 范围为 1 2 20 V LM117 LM137 C1 0 1 F C3 0 1 F C2 10 F C4 10 F V21 V31 R1 120 R 1 120 R2 2K R 2 2K C5 1 F C6 1 F 25v 25V 1 2 20 V 分1 2 20 V adj1 adj2 Vo V1 Vo V1 图 2 1 电源工作原理图 2 2 方波 三角波转换的电路设计 此电路由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成 RC 回路既作为延迟环节 又 作为反馈网络 通过 RC 充 放电实现输出状态的自动转换 设某一时刻输出电压 Uo Uz 则同相输入端电位 Up UT Uo 通过 R3 对电容 C 正向充电 如图中实线箭头 所示 反相输入端电位 n 随时间 t 的增长而逐渐增高 当 t 趋于无穷时 Un 趋于 Uz 但是 一旦 Un Ut 再稍增大 Uo 从 Uz 跃变为 Uz 与此同时 Up 从 Ut 跃变为 Ut 随后 Uo 又通过 R3 对电容 C 反向充电 如图中虚线箭头所示 Un 随时间逐渐 增长而减低 当 t 趋于无穷大时 Un 趋于 Uz 但是 一旦 Un Ut 再减小 Uo 就 从 Uz 跃变为 Uz Up 从 Ut 跃变为 Ut 电容又开始正相充电 上述过程周而复始 电路产生了自激振荡 此电路的工作原理 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 本科生课程设计 论文 9 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 312 231231 0 CCia RRPR UVU RRRPRRRP 将上式整理 得比较器翻转的下门限单位 Uia 为 22 3131 CCCC ia RR UVV RRPRRP 若 Uo1 Vee 则比较器翻转的上门限电位 Uia 为 22 3131 EECC ia RR UVV RRPRRP 比较器的门限宽度 2 31 2 HCC iaia R UUUI RRP 由以上公式可得比较器的电压传输特性 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 21 422 1 OO UU dt RRP C 时 1OEE UV 2 422422 CCEE O VV Utt RRP CRRP C 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 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 的幅度为 2 2 31 O mCC R UV RRP 方波 三角波的频率 f 为 31 2422 4 RRP f R RRP C 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 通频率的范围较宽 可用 C2 改变频率的范围 PR2 实现频率微调 本科生课程设计 论文 10 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 方波 三角波转换工作原理如图 2 2 所示 图 2 2 方波 三角波转换工作原理图 方波 三角波转换工作原理分析图如图 2 3 2 4 所示 Uo1 Vcc Vcc UiaUia Uia 图 2 3 方波 三角波转换工作原理分析图 本科生课程设计 论文 11 U0 t Vcc Vcc U02 U01 R2 R3 RP1 R2 R3 RP1 图 2 4 方波 三角波转换工作原理分析图 2 2 3 三角波 正弦波转换的电路设计 三角波 正弦波的变换电路主要由 Rc 电路组成 具有工作点稳定 输入阻抗 高 抗干扰能力较强等优点 可将频率很低的三角波变换成正弦波 为使输出波形更接近正弦波 传输特性曲线越对称 线性区越窄越好 图为实 现三角波 正弦波变换的电路 并联电路组成正反馈网路 同时兼做选频网路 三角波 正弦波转换工作原理如图 2 5 所示 图 2 5 三角波 正弦波转换工作原理图 三角波 正弦波转换工作原理分析图如图 2 6 所示 本科生课程设计 论文 12 图 2 6 三角波 正弦波转换工作原理分析图 本科生课程设计 论文 13 第三章 整体电路设计 3 1 总电路图设计 总电路图设计如图 3 1 所示 图 3 1 方波 三角波 正弦波函数发生电路 总的设计是首先通过比较器产生方波 然后经过积分电路产生三角波 最后通 过差分放大器产生正弦波 3 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 1Hz f 10Hz 时 取电容 C1 10uf R4 5 1K RP2 100k 当 10Hz f 100Hz 时 取电容 C2 1uf 来实现频率波段的转换 R4 和 RP2 的值不 本科生课程设计 论文 14 变 取平衡电阻 R5 10K 三角波 正弦波变换电路的参数选择原则是 C2 C3 100nf R5 R6 5 1k 3 3 电路仿真结果 3 3 1 方波 三角波输出波形 图 3 2 方波 三角波输出波形图 由上图可看出由滞回比较器和积分器产生的方波与正弦波周期 T 1 971s 2 00s 频率 f 500HZ 方波幅值 10V 三角波峰峰值 20V 基本符合设计的要求 3 3 2 正弦波输出波形 本科生课程设计 论文 15 图 3 3 正弦波输出波形图 三角波经比例减小一倍为 10V 由三角波经过差分放大器所输出的正弦波 10V 基本符 合设计要求 本科生课程设计 论文 16 第四章 课设总结 本设计通过振荡电路主要产生具有一定频率要求的信号 波形变换器功能对振 荡源产生的信号进行变换和处理 形成各种所需的信号波形 输出电路对各路波形 信号进行幅度均衡和切换 并完成信号幅度的调节 功能 采用比较器