简易信号发生器课程设计

1 第一章第一章 方案的选择方案的选择 1 11 1 方案一方案一 由文氏电桥产生正弦振荡 然后通过比较器得到方波 方波积分可得三角 波 这一方案为一开环电路 结构简单 产生的正弦波和方波的波形失真较小 但是对于三角波的产生则有一定的麻烦 幅度稳定性难以达到要求 而且通过 仿真实验会发现积分器极易产生失调 1 21 2 方案二 方案二 利用 ICL8038 芯片构成 8038 集成函数发生器 8038 集成函数发生器是一种多用途的波形发生器 可以用来产生正弦波 方波 三角波和锯齿波 其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节 所以是 压控集成信号产生器 由于外接电容 C 的充 放电电流由两个电流源控制 所 以电容 C 两端电压 uc的变化与时间成线形关系 从而可以获得理想的三角波输 出 8038 电路中含有正弦波变换器 故可以直接将三角波变成正弦波输出 另 外还可以将三角波通过触发器变成方波输出 该方案的特点是十分明显的 线性良好 稳定性好 频率易调 在几个数量级的频带范围内 可以方便地连续地改变频率 而且频率改变时 幅度恒定不变 不存在如文氏电桥那样的过渡过程 接通电源后会立即产生稳定的波形 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数 易于变换其他波形 综合上述分析 我们采用了第二种方案来产生信号 第二章第二章 基本原理基本原理 2 12 1 函数发生器的组成函数发生器的组成 2 函数发生器一般是指能自动产生正弦波 方波 三角波的电压波形的电路 或者仪器 电路形式可以采用由运放及分离元件构成 也可以采用单片集成函 数发生器 根据用途不同 有产生三种或多种波形的函数发生器 本课题介绍 方波 三角波 正弦波函数发生器的方法 函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组 合而成 下面我们将分别对各个波形的发生进行分析 从而达到在合成电路时 使电路更加合理 2 22 2 RCRC 桥式正弦波振荡器 文氏电桥振荡器 桥式正弦波振荡器 文氏电桥振荡器 图 2 1 为 RC 桥式正弦波振荡器 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 电路的振荡频率 2 RC 1 fO 起振的幅值条件 2 1 f R R 式中 Rf RW R2 R3 rD rD 二极管正向导通电阻 调整反馈电阻 Rf 调 RW 使电路起振 且波形失真最小 如不能起振 则说明负反馈太强 应适当加大 Rf 如波形失真严重 则应适当减小 Rf 改变选频网络的参数 C 或 R 即可调节振荡频率 一般采用改变电容 C 作 频率量程切换 而调节 R 作量程内的频率细调 3 图 2 1 RC 桥式正弦波振荡器 2 32 3 方波发生器方波发生器 由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器 一般均包括比较器和 RC 积 分器两大部分 图 2 2 所示为由滞回比较器及简单 RC 积分电路组成的方波 三角波发生器 它的特点是线路简单 但三角波的线性度较差 主要用于产生 方波 或对三角波要求不高的场合 电路振荡频率 式中 R1 R1 RW R2 R2 RW 方波输出幅值 Uom UZ 三角波输出幅值 调节电位器 RW 即改变 R2 R1 可以改变振荡频率 但三角波的幅值也随 之变化 如要互不影响 则可通过改变 Rf 或 Cf 来实现振荡频率的调节 Z 21 2 cm U RR R U R 2R Ln 1C2R 1 f 1 2 ff o 4 图 2 2 方波发生器 2 42 4 三角波和方波发生器三角波和方波发生器 如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统 如图 2 3 所示 则比较器 A1输出的方波经积分器 A2积分可得到三角波 三角波又触发比较器自 动翻转形成方波 这样即可构成三角波 方波发生器 图 2 4 为方波 三角波 发生器输出波形图 由于采用运放组成的积分电路 因此可实现恒流充电 使 三角波线性大大改善 图 2 3 三角波 方波发生器 电路振荡频率 fWf1 2 O CR R4R R f 方波幅值 U om UZ 5 三角波幅值 Z 2 1 om U R R U 调节 RW可以改变振荡频率 改变比值可调节三角波的幅值 2 1 R R 图 2 4 方波 三角波发生器输出波形图 第三章第三章 芯片芯片 ICL8038ICL8038 介绍介绍 ICL8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路 只需要个别的外 部元件就能产生从 0 001Hz 30KHz 的低失真正弦波 三角波 矩形波等脉冲信 号 输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制 另外由于该芯片具有 调制信号输入端 所以可以用来对低频信号进行频率调制 3 13 1 芯片芯片 ICL8038ICL8038 管脚排列图如图管脚排列图如图 3 13 1 6 图 3 1 芯片 ICL8038 管脚排列图 3 23 2 管脚功能管脚功能 脚 1 12 正弦波失真度调节 脚 2 正弦波输出 脚 3 三角波输出 脚 4 5 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 10V 18V 脚 7 内部频率调节偏置电压输 脚 8 外部扫描频率电压输 入 脚 9 方波输出 为开路结构 脚 10 外接振荡电容 脚 11 负电原或地 脚 13 14 空脚 3 33 3 基本电路的工作原理基本电路的工作原理 ICL8038 的内部框图如图 3 2 所示 图 3 2 ICL8038 内部框图 7 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 2 3 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 1 3 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 N 4 失真度 可以小于 1 在实测中得到正弦信号的失真度可达 0 5 左右 其精度效果相当 好 8 第四章第四章 ICL8038ICL8038 简易函数发生器电路原理图简易函数发生器电路原理图 第五章第五章 各函数信号的调试各函数信号的调试 5 15 1 函数信号频率和占空比的调节函数信号频率和占空比的调节 由于 ICL8038 单片函数发生器有两种工作方式 即输出函数信号的频率调 节电压可以由内部供给 也可以由外部供给 图 5 1 为几种由内部供给偏置电 压调节的接线图 9 图 5 1 ICL8038 典型应用 在以上应用中 由于第 7 脚频率调节电压偏置一定 所以函数信号的频率 和占空比由 RA RB和 C 决定 其频率为 F 周期 T t1为振荡电容充电时间 t2 为放电时间 T t1 t2 f 1 T 由于三角函数信号在电容充电时 电容电压上升到比较器规定输入电压的 1 3 倍 分得的时间为 t1 CV I C 1 3 Vcc R A 1 5 Vcc 5 3RA C 在电容放电时 电压降到比较器输入电压的 1 3 时 分得的时间为 t2 CV I C 1 3 VCC 2 5 VCCRB 1 5 VCC RA 3 5 RA RB C 2RA RB f 1 t1 t2 3 5RAC 1 RB 2RA R 对图 3 a 中 如果 RA RB 就可以获得占空比为 50 的方波信号 其频 率 f 3 10RAC 5 25 2 正弦波失真度调节正弦波失真度调节 该芯片的第 1 脚和第 12 脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的 图 5 2 为一个调节输出正弦波失真度的典型应用 其中第 1 脚调节振荡电容充电时间 过程中的非线性逼近点 第 12 脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近 点 在实际应用中 两只 100K 的电位器应选择多圈精度电位器 反复调节 可 以达到很好的效果 10 图 5 2 正弦波失真度调节电路 第六章第六章 实验结果与数据分析实验结果与数据分析 6 16 1 设置好元件参数后在设置好元件参数后在 ProteusProteus 上连接的仿真电路图如下图上连接的仿真电路图如下图 6 6 1 1 图 6 1 仿真电路图 6 26 2 仿真后在示波器调试的波形图如图仿真后在示波器调试的波形图如图 6 26 2 11 图 6 2 示波器调试的波形图 6 3 实物调试示波器界面图如下 图 6 3 矩形波形图 12 图 6 4 三角波波形图 图 6 5 正弦波波形图 13 6 46 4 结果分析结果分析 根据实验要求与技术指标进行试验结果分析如下 1 电路振荡频率理论值计算 电路振荡频率公式为 00 5Rp1R4 0 3 fO C 将按简易函数信号发生器原理图焊接好的电路板在实验台上进行测量的电 路振荡频率结果如下表 6 1 表 6 1 振荡频率测量实验结果记录 O f Rp1 9 4k6 8Hz R4 4 7k C0 0 1uF Rp2 01kHz 由表 6 1 中的数据可以看出振荡频率的变化范围 6 8Hz 1kHz 符合 100Hz 1KHz 的实验要求 2 电压幅值 将焊接好的电路板在实验台上进行各信号幅值测试 记录测试结果如下 表 6 2 Ucc V Uee V 电位器阻值情况 Vp p V 方波 12 12 各电位器均调至 50 24 三角波 9 4 9 4 各电位器均调至 50 6 正弦波 12 12 Rp2 调至 20 即 Rp2 2k 其他各电位 器均调至 50 1 14 结束语结束语 问题讨论问题讨论 通过本次课程设计让我对简单函数信号发生器以及函数信号的产生原理有 深刻的了解 同时对芯片 ICL8038 有了细致的认识 但在课程设计过程中也遇 到的设计前没有预测到的一些问题 如在正弦函数信号产生时其幅值太大 达 不到任务书中的指标范围 但后来经过自己查阅了相关这方面的资料以及通过 老师的指导 同学的帮助 我将电路进行改进 在正弦信号的输出端接一电位 器进行分压 同时加上 NPN 型三极管进行稳压后才得到理想的实验结果 心得体会心得体会 通过这次课程设计 加强了我们动手 思考和解决问在设计过程中 经常 会遇到这样那样的情况 就是心里想老着这样的接法可以行得通 但实际接上 电路 总是实现不了 因此耗费在这上面的时间用去很多 我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强 由于课本上的知识 太多 平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能 而且考试内 容有限 所以在这次课程设计过程中 我们了解了很多元件的功能 并且对于 其在电路中的使用有了更多的认识 题的能力 平时看课本时 有时问题老是 弄不懂 做完设计 那些问题就迎刃而解了 而且还可以记住很多东西 比如 一些芯片的功能 平时看课本 这次看了 下次就忘了 通过动手实践让我们 对各个元件印象深刻 认识来源于实践 实践是认识的动力和最终目的 实践 是检验真理的唯一标准 所以这次的设计对我们的作用是非常大的 通过这次设计 我深刻的认识到我们的工作是一个团队的工作 团队需要 个人 个人也离不开团队 必须发扬团结协作的精神 实习中只有一个人知道 原理是远远不够的 必须让每个人都知道 否则一个人的错误 就有可能导致 整个工作失败 团结协作是我们实习成功的一项非常重要的保证 而这次实习 也正好锻炼我们这一点 这也是非常宝贵的 对我们而言 知识上的收获重要 15 精神上的丰收更加可喜 挫折是一份财富 经历是一份拥有 这次设计必将留 给我我一个深刻的记忆 通过这次设计使我懂得了理论与实际