基于电子技术的多功能信号发生器.doc

焦作大学机电工程学院毕业设计（论文）焦 作 大 学毕业设计(论文)说明书题 目： 基于电子技术的多功能信号发生器 学 院： 机电工程学院 专 业： 应用电子技术 作 者: 学 号: 指导老师: 2011 年 12 月23摘 要函数信号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，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。本毕业设计通过比较器，积分器和差分放大器实现三角波，锯齿波和正弦波的转换。关键词： 信号发生器，三角波，正弦波ABSTRACTAccording to the different function signal generator has produced three, use a variety of the waveform generator or used in the circuit, the device can be separated device, also can be integrated components, triangular, square, sine wave of a variety of solutions, such as first, according to the non sinusoidal periodic sine waves and sine waves shows a certain function, again through the plastic circuit will sine pulse, after integral converted into a triangle after circuit. Can also produce triangular, square - the triangle into sine wave or square. The graduation design through the comparator, integrators and differential amplifiers realize triangular, sawtooth wave and the sine wave.Keywords: signal generator, triangular, sine wave目 录1 绪论 3 1.1 课题背景3 1.2 课题意义3 1.3 项目任务4 1.3.1项目建议4 1.3.2项目可行性研究52 函数发生器的方案及选取 52.1 函数发生器的方案 6 2.1.1 电路设计总方案6 2.1.2 电路方案一6 2.1.3 电路方案二72.2 函数方案的选取73 各组成部分的工作原理8 3.1 方波发生的工作原理 8 3.2 三角波-正弦波转换电路的工作原理8 3.3 电路的参数选择及计算 93.4 总电路图 114 电路仿真15 4.1 方波三角波发生电路的仿真 16 4.2 三角波正弦波转换电路的仿真 185 电路实验的仿真结果 19 5.1方波三角波发生电路的实验仿真结果195.2三角波正弦波转换电路的实验仿真结果196 体会总结 .20参考文献 .21致谢22附录231 绪论1.1课题背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。1.2 课题意义 便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机的强大功能，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A转换，单片机（51单片机，显示电路，键盘控制），显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。1.3项目概论1.3.1 项目建议函数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。在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转线圈上加随时间线性变化的电压锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波 正弦波 三角波以及锯齿波阶梯波等电压波形的电路或仪器。因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的函数信号发生器。1.3.2 项目可行性研究函数信号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，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。2 函数发生器的方案及选取2.1函数发生器的方案2.1.1电路设计的总方案信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。2.1.2 电路设计方案一（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，再由分电路将方波变成三角波；也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波。如图2.1所示。 图1.1 函数发生器组成框图（2）CF747芯片的介绍：CF747是单片高性能双运算放大器。具有较宽的共模电压范围，在使用中不会出现闩锁现象，可作为电压跟随器。该器件具有较高的电压增益和较宽的工作电压范围，在用作积分器、求和放大器、普通反馈放大器时提供了优越的性能。该器件作为单运放使用时，其性能与CF741完全相同。 该部件主要特点：（1）不需外部频率补偿：（2）具有短路保护；（3）失调电压调到零的能力；（4）较宽的共模和差模电压范围；（5）功耗低；（6）无阻塞现象。（7）该器件有两种工作温度范围；CF747M -55125CF747C 070其管脚功能为图1.2所示： 图1.2 芯片CF747C的管脚功能图2.1.3电路设计方案二（1）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）ICL8038芯片的介绍：其性能特点为具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。其引脚功能为图1.3所示：脚1、12（SineWaveAdjust）：正弦波失真度调节；脚2（SineWaveOut）：正弦波输出；脚3（TriangleOut）：三角波输出；脚4、5（DutyCycleFrequency）：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（FMBias）：内部频率调节偏图1.3 ICL8038引脚功能图2.2函数发生器的方案选取可行性分析：上面两种方案中，方案一是搭建波形变换的电路图。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和成本的限制，而且它是牺牲了成本来换取的方便。其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，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最终的设计方案。3各组成部分的工作原理3.1 方波发生电路的工作原理图3.1方波三角波产生电路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。 3.1 3.2 图3.2 比较器电压传输特性图3.3 方波三角波工作原理如下：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 3.3 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 3.4若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 3.5比较器的门限宽度 3.6由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3.2所示。a点断开后，运放与、及组成反相积分器，其输入信号为方波，则积分器的输出为 3.7时， 3.8时， 3.9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3.3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3.10方波-三角波的频率f为 3.10由以上两式可以得到以下结论：（1） 电位器在调整方波-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，可用改变频率的范围，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。电位器可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3.2 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:图3.4 三角波正弦波的变换电路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： 3.11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 3.12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3.5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C2,C3,C4为隔直电容，C5为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。图3.5 三角波正弦波变换3.3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0.20uf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）方波-三角波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下：由式即取 ，则，取，RP1为10K的点位器。区平衡电阻/由式即当时，取，则，取；为10K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C2、C3、C4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=1000欧与RP4=1000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。3.4总电路图图3.6 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。4电路仿真4.1 方波-三角波发生电路的仿真 图4.1 方波三角波电路图4.2 方波波形图 图4.3 三角形波形图 图4.4 方波三角形波形图4.2 三角波-正弦波转换电路的仿真 图4.5 总电路图 图4.6 正弦波波形图图4.7 三角波波形图图4.7 三角波-正弦波波形图5电路的实验仿真结果5.1 方波-三角波发生电路的实验仿真结果表6.1方波波形仿真结果电容周期VppC=1ufT=0.95usVpp=22.23VC=0.20ufT=1.02usVpp=22.23V 表6.2 三角波波形仿真结果电容周期VppC=1ufT=1.06usVpp=6.24VC=0.20ufT=0.68usVpp=6.17V 5.2 三角波-正弦波转换电路的实验仿真结果表6.3 正弦波仿真结果R14=420Vpp=0.992VVc2=-Vc5=8.93VVc4=-0.47V 6 心得体会通过这次毕业设计，加强了我的动手、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。我觉得做毕业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。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，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。 这次毕业设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多专业知识问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时，在老师的身上我们学也到很多实用的知识，在次我们表示感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢！参考文献1 薛永毅，王淑英，何希才编著，新型电源电路应用实例，北京：电子工业出版社，2001；XueYongYi, WangShuYing, HeXiCai, new power circuit application example, Beijing: electronic industry press, 2001；2 谢自美编著，电子线路设计实验测试，武汉：华中理工大学出版社，1994； Thank the circuit design, beautiful, testing, wuhan, experiment, huazhong university of science and technology press, 1994；3 童诗白，徐振英编著，现代电子学及应用，北京：高等教育出版社，1994; TongShiBai XuZhenYing, application and modern electronics, higher education press, Beijing, 1994；4 阎石编著，数字电子技术基础，北京：高等教育出版社，1998； YanShi, digital electronic technology, Beijing: higher education press, 1998；5 赵世强等编著，电子电路EDA技术，西安：西安电子科技大学出版社，2000； ZhaoShiJiang etc), electronic circuit EDA, xian: xidian university press, 2000；6 汤元信等编著，电子工艺及电子工程设计，北京：北京航空航天大学出版社，1999； Soup, electronic as yuan technology and electronic engineering design, Beijing: Peking University p