模拟电子函数发生器课程设计报告[文档在线提供].doc

目 录1 设计的目的及任务（3）1.1 课程设计的任务与要求（3）1.2 课程设计的技术指标（3）2 函数发生器的原理及方案选择（4）2.1 函数发生器的原理（4）2.2 函数发生器的各方案分析比较及选择（4）3 集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的函数发生器（6）3.1 方波发生电路的工作原理（6）3.2 方波-三角波转换电路的工作原理（6）3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理（10）3.4电路的参数选择及计算（12）3.5 总电路图（14）3.6 方波-三角波发生电路的仿真（14）3.7 三角波-正弦波转换电路的仿真（16）4 基于ICL8038设计的函数发生器（16）4.1 单片集成电路函数发生器ICL8038的电路结构（16）4.2 ICL8038的引脚图（18）4.3 ICL8038的性能优点（18）4.4 ICL8038的工作原理（19）4.5 电路的参数选择及计算(20)4.6 总电路图(21)4.7实验结果（21）5 实验总结（22）6 元器件清单(23)7 参考文献(24)42 / 421 设计的目的及任务1.1 课程设计的任务与要求设计任务 设计一个能够产生方波三角波正弦波的函数发生器设计要求 （1） 根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理，计算元件参数。 （2） 列出所有元、器件清单报实验室备件。 （3） 安装调试所设计的电路，使之达到设计要求。 （4） 记录实验结果。1.2 课程设计的技术指标输出波形：方波三角波正弦波频率范围：1kHz10kHz输出电压：方波Vp-p12V,三角波6V,正弦波3V2函数发生器的原理及方案2.1 函数发生器的原理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。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。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与最初的设计要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。 2.2 函数发生器的各方案分析比较及选择根据函数发生器的原理，本课题的设计有多种方案，在本次设计中，我主要参考了以下两种方案。方案一：方波三角波正弦波产生电路主要由运放及分立元件构成，先通过比较器产生方波，然后由积分器将方波变成三角波，再用有源滤波器讲三角波转换成正弦波。其组成框图见图1.1。该方案能实现频率可调的指标要求，且能实现一定范围内的幅度调节。但积分电路的时间参数选择需保证电路不出现积分饱和失真。方波三角波正弦波幅度调节输出有源滤波比较器积分器图1.1方案二：采用单片集成电路函数发生器ICL8038单片函数发生器ICL 8038制作的信号发生器,可同时输出方波、三角波和正弦波,频率调节范围大,正弦失真小，制作比较简单。3 集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的函数发生器3.1 方波发生电路的工作原理 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。3.2 方波-三角波转换电路的工作原理方波三角波产生电路 工作原理如下：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 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。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为时，时，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，其波形关系下图所示。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。三角波的幅度为方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：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。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。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。3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可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。分析表明，传输特性曲线的表达式为：式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2） 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 三角波正弦波变换电路3.4电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2.三角波-正弦波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由式（3-61）得即取 ，则，取 ，RP1为47K的点位器。区平衡电阻由式（3-62）即当时，取，则，取，为100K电位器。当时 ，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。3.5 总电路图三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。3.6 方波-三角波发生电路的仿真3.7 三角波-正弦波转换电路的仿真4 基于ICL8038设计的函数发生器4.1 单片集成电路函数发生器ICL8038的电路结构查阅资料手册得知，8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器等组成。其内部电路结构如图1.3所示图1.3函数发生器ICL8038的电路结构共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为I1和I2，且I1=I，I2=2I；两个电压比较器C1和C2的阈值电压分别为 和 ，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和R端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。RS触发器是数字电路中具有存储功能的一种基本单元电路。Q和 是一对互补的状态输出端，当Q=1时， ；当Q=0时， 。S和R是两个输入端，当S=R=0时，Q=0时， ；反之，当S=R=1时，Q=1时， ；当S=0，R=1时，Q和 保持原状态不变。两个电压比较器的电压传输特性如下图3.2所示图1.44.2 ICL8038的引脚图如图2.4所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。图1.54.3 ICL8038的性能优点ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，即将引脚11接地，引脚6接+VCC，VCC为1030V；也可双电源供电，即将引脚11接-VEE，引脚6接+VCC，它们的值为515V。频率的可调范围为0.01Hz300kHz。输出矩形波的占空比可调范围为2%98%，上升时间为180ns，下降时间为40ns。输出三角波（斜坡波）的非线性小于0.05%。输出正弦波的失真小于1%。4.4 ICL8038的工作原理图1.6两个电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压vC随时间线性上升，当vC上升到vC=2VR/3 时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出Q端由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1 ，因此电容C放电，vC随时间线性下降。当vC下降到vCVR/3 时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，vC又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若I2=2I1 ，vC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I1I22I1 时，vC的上升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。4.5 电路的参数选择及计算如图1.7所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。图1.7由图1.5可见，管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是(VCC+VEE/5) ，它可作为管脚8的输入电压。此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用10kW左右，如图1.7所示。当电位器Rp1动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率f约为0.3/C(R1+RP1/2) 。即输出频率由电阻R1、RP1及电容C决定。R1+RP1为电阻R1和电位器RP1的串联值。参考有关资料，电容C选择大小为4700pF的瓷片电容。根据设计的输出频率要求，计算得出RI+RP1的范围为3千欧到30千欧之间。因此选择两个10K的电阻R1和R2，以及一个1K的电位器RP1.4.6 总电路图总电路图如图，其中调节RP1可改变输出信号的频率，调节RP1和RP2可以改善正弦波的失真。4.7实验结果频率峰值方波5kHz11.2V三角波5kHz4.8V正弦波5kHz3.4V图1.75实验总结为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。在实验过程中，我遇到了不少的