简易信号发生器课程设计1.doc

2011 2012学年 第二学期 简易信号发生器 课 程 设 计 报 告题 目： 简易信号发生器设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 10电气工程本一班 姓 名： 李鹏、王松、薛冬冬、汤聪、戚传东、刘欢冯登宇、张正义、靳垒垒、杨磊 指导教师： 江春红 电气工程系2012年5月04日 1、任务书课题名称简易信号发生器指导教师（职称）江春红 执行时间20112012 学年第 2 学期 第 11 周学生姓名学号承担任务李鹏1009141045设计方案的猜想、方案二的总体设计、报告的书写王松1009141095方案一的总体设计分析冯登宇1009141021ICL8038（5G8038）工作原理总结薛冬冬1009141109仿真及电路图的分析杨磊1009141113正弦波部分的设计分析刘欢1009141053简易信号发生原理的总结张正义1009141127简易信号发生原理的总结汤聪1009141081三角波部分的设计分析戚传东1009141069方波部分的设计分析靳垒垒1009141039查找元器件类型及用法及仿真设计目的1、 掌握信号发生器的设计方法和测试技术2、 了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。3、 学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。设计要求1、 电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；2、输出信号频率范围：1HZ-10HZ 10HZ-100HZ;输出电压：方波Vp-p=1V;方波tr 小于100nS -1-简易信号发生器设计摘 要信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。它根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如ICL8038，Max038以及国产的5G8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。 通过这次设计，我们的理论知识掌握得更扎实，动手能力明显提高。同时，通过网上搜索等多方面的查询资料，我们学到许多在书本上没有的知识，也认识到理论联系实践的重要。理论学得好，但如果只会纸上谈兵，一点用都没有。以后也很难找到工作。通过本次设计能使我们对电子工艺的理论有了更进一步的系统了解。我们了解到了设计小电子产品的一些常规方法，以及培养了我们团队合作的能力，在讨论设计方案，计算元件参数，购买元件，制作电路板，安装调试方面都体会到了团队的力量。本次课程设计的课题是简易信号发生器，本课程设计将简易信号的工作原理、参数计算、元件选取等做详细的介绍和说明。关键词：正弦波；方波；三角波；ICL8038（5G8038）；比较器；函数信号发生器 -2-目录第一章、方案设计准备41.1设计方案猜想 4 1.2设计用的主要器件4 1.3设计报告要求4 1.4设计总结 4第二章、正文52.1简易信号发生的基本原理 5 2.2方案一 8 2.3方案二9 2.4可行性分析11第三章、参数确定12 3.1正弦波部分12 3.2方波和三角波部分12第四章、运行结果分析12 4.1正弦波结果分析13 4.2方波结果分析14 4.3三角波结果分析15第五章、附录175.1元件清单 17 5.2参考文献17（仿真结果分析还需详细写） -3-第一章、方案设计准备2.1、设计方案猜想2.1.1、设计方案可先产生正弦波，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；也可先产生三角-方波，再将三角波变成正弦波。如下框土所示。 你下面的论文不是按下图进行设计的，下图没有意义啊 方波 三角波 正弦波积分器比较器差分放大器2.1.2、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。2.2、设计用的主要器件：双运放UA747（或7412一只）、差分管3DG100四个；IC8038、数字电位器一个；电阻电容若干。2.3设计报告要求2.3.1选定设计方案；2.3.2拟出设计步骤，画出设计电路，分析计算主要元件参数值；2.3.3列出测试数据表格；2.3.4进行总结和分析，并写出设计性报告。2.4、设计总结2.4.1、总结信号发生器的设计和测试方法；2.4.2、总结设计信号发生器所用的知识点； -4-第二章、正文2.1简易信号发生器基本原理2.1.1函数发生器的组成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。2.1.2正弦波产生电路 正弦波振荡电路的振荡条件；2.1.3 RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）图31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 -5-起振的幅值条件 2 式中RfRWR2（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。图21 RC桥式正弦波振荡器2.1.4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3-2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R1R1RW R2R2RW 方波输出幅值 UomUZ三角波输出幅值 -6- 调节电位器RW（即改变R2R1），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。图22 方波发生器2.1.5三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33 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34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 -7-电路振荡频率 方波幅值 UomUZ 三角波幅值 调节RW可以改变振荡频率，改变比值可调节三角波的幅值。图24方波、三角波发生器输出波形图2.2方案一利用比较器积分器设计电路总体电路如下 -8-2.3方案二（由于仿真没有找到ILC8038所以用5G8038代替）2.3.1、5G8038管脚特点5G8038是上海元件五厂生产的，而国外生产的同类产品ICL8038的性能特点要优于以互换使用。5G8038引脚排列如图1所示。管脚特点：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10V18V；脚7：内部频率调节偏2.3.2、5G8038工作原理5G8038多功能函数发生器的内部结构2和工作原理如图2所示。 -9-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。 -10-电路图如下图是由A741和5G8038组成的精密压控震荡器，当8脚与一连续可调的直流电压相连时，输出频率亦连续可调。当此电压为最小值（近似为0）时。输出频率最低，当电压为最大值时，输出频率最高；由于5G8038本身的线性度仅在扫描频率范围10：1时为0.2%，更大范围（如1000：1）时线性度随之变坏，所以控制电压经A741后再送入5G8038的8脚，这样会有效地改善压控线性度（优于1%）。若4、5脚的外接电阻相等且为R，此时输出频率可由下式决定： f=0.3/RC4 设函数发生器最高工作频率为100Hz，定时电容C4可由上式求得。 电路中RP3是用来调整高频端波形的对称性，而RP2是用来调整低频端波形的对称性，调整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。稳压管VDz是为了避免8脚上的负压过大而使5G8038工作失常设置的。2.3、可行性分析：以上两种方案中，方案一使用整形电路和积分电路通过波形转换而实现的。而方案二采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件、自身仿真软件的问题及成本的限制，我们抛弃了第二种方案，因为它是牺牲了成本来换取的方便。其次是方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，而方案二需要ICL8038(5G8038)及数字电位器，所以从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案一为我们最终的设计方案。-11- 第三章参数确定从电路的设计过程来看电路分为三部分：正弦波部分方波部分三角波部分3.1正弦波部分由于我们选取差分放大电路对三角波正弦波进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我们现在选择KSP2222A型的三极管，其静态曲线图像如右图所示。 根据KSP2222A的静态特性曲线，选取静态 工作区的中心由直流通路有：20 k k因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：可得 3.2方波部分与三角波部分参数的确定根据性能指标可知由,可见f与c成正比，若要得到1Hz10Hz，C为10。10Hz100Hz,C为1。则=7.5k75k，则=5.1k则=2.4k或者=69.9 k-12-取100 k由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为4v和1v，有=10k则47 k，=20 k根据方波的上升时间为两毫秒，查询运算放大器的速度，可以选择74141型号的运放。由此可得调整电阻：第四章、运行结果分析4.1正弦波结果分析4.1.1正弦波发生电路的设计。本电路用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波。其电路图如下： 4.1.2仿真后的正弦波4.2方波结果分析4.2.1方波发生电路设计4.2.2仿真后的方波-14-4.3三角波结果分析 4.1.1三角波发生电路设计4.1.2仿真后的三角波-15-16-五、附录4.1元件清单4.2参考文献童诗白模拟电子技术基础M 北京： 高等教育出版社 2006. 胡宴如 模拟电子技术M北京：高等教育出版社 2008.1王艳春电子技术实验与Multisim仿真M 合肥：合肥工业大学出版社2011.4 -17-结论在小组成员的共同努力合作下，我们已经成功完成对三角波、正弦波