函数信号发生器

目录一、课题名称3二、技术要求3三、内容摘要3四、总体设计方案论证及选择4五、信号发生器原理框图、总体电路原理图及说明61、原理框图62、波形产生总体电路原理图7六、单元电路设计、主要元器件选择与电路参数计算71正弦波产生电路72矩形波产生电路93锯齿波产生电路124控制电路135幅值控制电路15七、电压数字显示器部分设计161电压显示器的工作原理与分析162电路各部分的功能173电路工作过程174主要元器件185电压显示器总原理图20八、频率数字显示器部分的设计211频率显示器原理212总体电路结构原理213单元电路设计与分析22九、收获与体会及存在的问题27十、参考文献28十一、附件28一、课题名称函数信号发生器二、技术要求（1）能产生正弦波、矩形波（占空比可调）和锯齿波等多种波形；（2）输出信号的工作频率范围10HZ10KHZ，连续可调；（3）输出信号波形幅值010V，且连续可调；（4）输出信号频率数字显示；（5）输出信号幅度数字显示三、内容摘要函数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。为进一步掌握电路的基本理论及各种元器件的功能，本课题首先用RC振荡电路产生正弦波、再通过由555定时器组成的多谐振荡产生矩形波，最后利用三角波产生电路使积分电容充电和放电时间常数不同，而且相差悬殊，在积分电路的输出端得到锯齿波信号。对于显示部分，频率数字显示主要由555定时器构成的放大整形电路，时基电路和控制电路构成，最终由十六进制加法器74LS160，锁存器74LS373，译码器7447使数码管显示频率；电压的数字显示主要由芯片MC14433,MC1413,MC4511和MC1403构成。四、总体设计方案论证及选择方案一用单片集成芯片IC8038实现，此方案要求幅度和频率都可调，可由数字电位器加程控放大器实现。它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，其震荡频率可以通过外加电压进行调节，又称压控集成信号产生器。利用8038芯片的优点是十分明显如下集成度比较高，输出稳定，构成的电路简单，所用的元件少，经济实惠。函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。方案二此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；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，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为DTVRCTIVIO1显然对于10倍的频率变化会有积分时间DT的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。而这是电路所不希望的。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。方案三用单片机和A/D转换器实现，编写相应的程序即可实现。如采用一片AT89S51单片机和DAC0832数模转换器组成的智能数字式低频信号发生器。按用户的需要，选择运行不同的程序，将会得到不同的波形信号。再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路以及放大整形电路，就完成了一个频率可调的多功能信号发生器的设计。方案四由正弦波发生器产生正弦波，矩形波发生器产生矩形波，锯齿波发生器产生锯齿波，三种波形经过控制电路，最后经过运放电路形成幅值可调的函数信号。文氏电桥正弦波比较器积分器方波三角波正弦波产生电路矩形波产生电路锯齿波产生电路正弦波占空比可调矩形波锯齿波控制电路函数信号幅值控制电路幅值可调波形经过综合考虑，我们选择方案四，理由如下方案一利用了利用ICL8038芯片，虽然是个很好的选择，但是我们打算更贴近课本的内容。方案二显然对于10倍的频率变化会有积分时间DT的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化，幅度稳定性难以达到要求。而且积分器极易产生失调。方案三是从课外资料中找到的，与所学得运算放大电路结合得不是很紧密。方案四既利用了课本所学的运算放大电路，也可分别调整各个波形的幅值和信号，过程较上两种方案简洁，且可得到所需的结果。虽然这样选择过于追求与课本精讲知识的联系，忽略了ICL8038等芯片的利用，增加了数字显示功能设计的难度，但是对于掌握和运用在模拟电子技术”、数字电子技术等课程中所学的理论知识和实验技能，基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高设计能力和实验技能却有很大的帮助。五、信号发生器原理框图、总体电路原理图及说明1、原理框图2、波形产生总电路图正弦波产生电路矩形波产生电路锯齿波产生电路锯齿波占空比可调矩形波正弦波控制电路函数信号幅值控制电路幅值可调波形六、函数信号发生器各部分原理单元电路设计原理1正弦波产生电路1）RC振荡器的设计自激振荡原理在放大电路中，输入接有信号源后，输出端才有信号输出。但在振荡电路中，它的输入端不外接信号，而输出端仍有一定频率和幅值的信号输出，这是现象就是电子电路的自激振荡。无论在放大电路还是在振荡电路中，自激振荡的本质是相同的。即振荡时电路中的反馈一定是正反馈，并且反馈环路增益必须满足一定的条件。RC振荡器的设计，就是根据所给出的指标要求，选择电路的结构形式，计算和确定电路中各元件的参数，使它们在所要求的频率范围内满足振荡的条件，使电路产生满足指标要求的正弦波形。正弦波振荡电路主要有三个部分组成1放大电路。利用运算放大器，使其有放大倍数，以满足自激振荡的条件。2反馈电路。把放大电路的输出信号正反馈到输入端，作为放大电路的输入信号，并满足自激振荡的条件。3选频环节。使振荡电路只能让某一特定频率的信号满足自激振荡的条件，以保证振电路输出正弦波信号。4稳幅环节。为了不让输出的正弦波信号无限增长而逐渐趋近于稳定，电路中还必须要有稳幅环节。RC振荡器的设计，可按以下几个步骤进行1根据已知的指标，选择电路形式。2计算和确定电路中的元件参数。3选择运算放大器。4调试电路，使该电路满足指标要求。图612）正弦波发生器的设计图62RA3和RA4为同轴电位器3）电路分析、主要元器件选择及参数计算运算放大器选择U1LM318为双电源，且电压范围2020V最大通过电流为10MA。由分析可知，在产生自激振荡，13。F0UI0UI因为UUI，1IUREIOF,所以，U0（11RE）UI。即10RFUIAU为了满足自激振荡的起振条件，则要求放大电路的电压放大倍数3。如果正好是3，就会使工作不稳定，因为AU稍有下降，立即停振。所以要去放大倍数稍大于3。11RFE3,所以RF12RE1AU取RE115K，则RF1取31K即可。RF2取15K稳定时流过二极管的最大电流IUO1MAX/（RF1RE1）024ADA1与DA2选取IN4001二极管，经计算并查阅最高反向峰值电压50V平均整流电流10A符合此电路要求。令CA1CA2C01UF,总电阻RA1RA3RFMIN10HZRC21FMAXA10KHZ得R159K，RA1159所以RA31588K2矩形波产生电路1）555定时器组成框图及工作机理管脚图引脚名称功能1GND（地）接地，作为低电平（0V）2TRIG（触发）当此引脚电压降至1/3VCC（或由控制端决定的阈值电压）时输出端给出高电平。3OUT（输出）输出高电平（VCC）或低电平。4RST（复位）当此引脚接高电平时定时器工作，当此引脚接地时芯片复位，输出低电平。5CTRL（控制）控制芯片的阈值电压。（当此管脚接空时默认两阈值电压为1/3VCC与2/3VCC）6THR（阈值）当此引脚电压升至2/3VCC（或由控制端决定的阈值电压）时输出端给出低电平。7DIS（放电）内接OC门，用于给电容放电。8V,VCC（供电）提供高电平并给芯片供电。图63R1、R2、C是外接元件电源VCC经电阻R1、R2对电容C进行充电，VC开始上升，直至VCC时，比较器C1的输出为0，将触发器复位成0，即VO为0。由于这时晶体管T因1而导通，故电容C通过R2和T放电，于是VC开始下降。直至到13VCC时，比较器C2的输出为0，将触发器置1，即VO由0再次上跳为1。晶体管T因0而截止，此后VCC又经R1和R2对电容C充电，重复上述过程。可见，无论输出端VO为1还是为0，都是暂稳状态，输出电压VO为连续的方波信号。电容C从13VCC充电到23VCC过程中形成的暂稳态脉冲宽度TP1为TP1（R1R2）CLN207（R1R2）C电容C从VCC放电到VCC过程中形成的暂稳态脉冲宽度TP2为TP2R2CLN207R2C所以，振荡周期为TTP1TP207（R12R2）C振荡频率为F1243T输出波形的占空比12DR2）矩形波发生器的设计图64上图是占空比可调的多谐振荡器。图中电位器RBP用于调节充放电时间常数，DB1和DB2两只二极管起到隔离电容CB的充电、放电路的作用。充电回路（UCC1RDB1CB地）的时间常数107TPRC放电回路（CBDB22R地）的时间常数2方波的占空比121TPD可调,若需使其频率可调，只需把C改成可变电容3）电路元件的选择及参数设计标准NE555（CMOS型）定时器一只。电源电压218V，允许输出电流120MA。流过DB1与DB2的电流最大为12/RB16MA所以选择2个IN4001二极管。CB可变电容器一只，在这选择电容最大为10UF的电容FMINMAX107CR总10HZFMAXIN总10KHZ得CB10000PF10UF，选CBB聚丙烯可变电容器。R总144K。设RBP10K，选RB12K，则RB224K。占空比121TPRD。所以D在139833之间可调。UO2比UCC低13V，设低2V,则设UCC15V，则输出幅值为U02UCC213V。3锯齿波产生电路如果在三角波产生电路中，使积分电容充电和放电时间常数不同，而且相差悬殊，则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号1三角波发生器的原理图65工作原理图中，集成运放A1同相输入端的电压由UO和U01共同决定，根据叠加原理U21RU0112U0当UO0时，U01UZ；当U0时，U01UZ；即迟滞比较器的翻转发生在U0的时刻，此时比较器的输入电压，即积分器的输出电压U0应是U021RUZ，也就是比较器的上下门限电压。经计算，T214CR。2）锯齿波发生器设计图66用二极管D3、D4和电位器RW代替三角波发生电路中的积分电阻R，使积分电容C充放电回路分开。调节电位器RW滑动端的位置，使RWRW，即电容充电时间常数比放电时间小得多，也就是充电很快，放电很慢。此时积分电路输出电压UO波形如图3）元件的选择与参数计算两个运放都采用LM318，参数上文已经介绍过。RW为可变电位器，则电路T可以根据RW的变化而变化，充电时间T1652WRC，放电时间T2652WRC。所以,TT1T2又F10HZ10KHZ，所以T1/101/10000SD1、D2选择稳压二极管2CW76参数为12V、20MA，UZ12VUOMR6/R5UZ所以设UOM10V,则R6/R55/6，选择R65KR56K取C1UF，FMIN10HZ，RWMAX6MFMAX10KHZ，所以RWMIN6K选择电位器RW变化范围在6K6M之间差动放大器原理要令RP2RW6M，R011K,RP16M通过D3D4的最大电流为IUC01/RWMIN10/6000167MA。均选用IN4001二极管，经计算并查阅最高反向峰值电压50V平均整流电流10A符合此电路要求。4控制电路分压电路1调节范围分压电路如图（153）所示。活动触头C从A移到B，U就从零变到U0。调节范围和变阻器阻值无关。UMIN0，UMAXU0。图672分压特性曲线负载RL两端的电压U为11020LLORRU5与前面讨论制流电路一样，引进参数X10K0L，可得0MAX22KUUX6）（1）若要使电压U在0到U0（UMAX）整个范围内均匀变化，则取K1比较合适，因此要求选用的变阻器R0小于负载电阻RL。（2）对作分压器用的变阻器的额定电流，应以总电流的最大值来考虑。3细调程度主控细调KBR0CR0RLAE图68因为102LRU，所以可分三种情况考虑（1）RLR0时，U10O，U10RUO，R10RO即U的最小改变量为0MIN（7）当U0、R0、R0都是一定的数值时，（U）MIN也是定值，也就是说，元件选定之后，在整个调节范围内的调节精细程度处处都是一样的（如图（17）中K10）。（2）RLR0，由式（5）得U（2LRUO），U2002LOLR即（U）MIN20L（8）比较式（4）与式（8），可看出两者完全相同，说明RLR0时，分压接法和制流接法的细调程度都一样的不好。（3）RL和R0在相同的数量级时，计算公式比较复杂，但计算与作图结果表明只要RL2R0，其结果和RLR0相差不远，所以RL2R0可以粗略地归入RLR0这一类；而当RL（01R）时，其结果与RLR0也很相近，所以当RL（01R）时，也可以粗略地看作RLR0；如果2R0RL（10）R0时，则属于上述两者的过渡情况。细调CR0KRLE主控CR0图695幅值控制电路由于保证了前面做出的三个发生器的幅值都为10V，所以这里用一个带阻值可调的电压跟随器，即可达到调节幅值的要求图610当滑动变阻器滑动头在最上面点时，输出UOUO；当滑动变阻器滑动头在最下面点时，输出UO0；当滑动变阻器滑动头在中间时输出UORPB/RPUO改变滑动头的位置，即改变输出波形的幅值此运放选择LM318，为双电源，且电压范围2020V，最大通过电流为10MA。为保证以上参数，选择RDRP2K的电阻。七、电压数字显示器部分设计1电压显示器的工作原理与分析数字电压表是将被测模拟量电压转换为数字量，并进行实时数字显示的测试仪表。采用MC14433213位A/D转换器构成的数字电压表如图41所示。但由于数字电压表测得的是通过信号电压的平均值，故在输入MC14433之前加一个采样保持电路，使得CM14433能够测出输入信号的幅值。其中MC1413是七路达林顿驱动器阵列，CD4511是七段锁存译码驱动器，MC1403是能隙基准电源，电路采用LED显示。下图是数字电压表组成结构图。图712电路各部分的功能（1）3位A/D转换器将输入的模拟信号转换成数字信号。（2基准电源提供精密电压，供A/D转换器作参考电压。3译码器将二十进制（BCD）码转换成七段信号。4驱动器驱动显示器的A、B、C、D、E、F、G七个发光段，驱动发光数码管（LED）进行显示。5显示器将译码输出的七段信号进行数字显示，读出A/D转换结果。3电路工作过程21位数字电压表通过位选信号1DS4进行动态扫描显示，由于MC1433电路的A/D转换结果是采用BCD码多路调制方法输出，只要配上一块译码器，就可以将转换结果以数字方式实现四位数字的LED发光数码管动态扫描显示。1DS4输出多路调制选通脉冲信号，DS选通脉冲为高电平，则表示对应的数位被选通，此时该位数据在0Q3端输出。每个选通脉冲高电平宽度为18个时钟脉冲周期，两个相邻选通脉冲之间间隔2个时钟脉冲周期。DS和EOC的时序关系是在EOC脉冲结束后，紧接着是1S输出正脉冲。以下依次为2DS、3和4S。其中1D对应最高位（MD），4则对应最低位（L）。在对应2、3和4S选通期间，0Q3输出BCD全位数据，即以8421码方式输出对应的数字09。在1选通期间，03输出千位的半位数0或1及过量程、欠量程和极性标志信号。4主要元器件1）23位A/D转换器MC14433MC14433是一个低功耗213位双积分式A/D转换器。采用24引线双列直插式封装，外引线排列如图42所示，图72213位A/D转换器MC14433外引线排列图积分电阻电容的选择应根据实际条件而定，若时钟频率为66KHZ，1C一般取01F，1R的选取与量程有关，量程为2V时，取1R470K；量程为200MV时，取27K。2）七段锁存译码驱动器CD4511CD4511是专用于将二十进制代码（BCD）转换成七段显示信号的专用标准译码器，输入为BCD码，输出为A、B、C、D、E、F、G七段显示驱动电压信号。其驱动电流可达20MA。CD4511电源电压范围为515V。它可与CMOS电路或TTL电路兼容工作。CD4511采用16引线双列直插式封装（见图43）。使用CD4511时应注意输出端不允许短路。应用时电路输出端需外接限流电阻。图73CD4511外引线排列图3）七路达林顿驱动器阵列MC1413MC1413采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益和很高的输入阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，并把电压信号转换成足够大的电流信号驱动各种负载。该电路内含有7个集电极开路反相器（也称OC门）。MC1413电路结构和引脚如图44所示，它采用16引线的双列直插式封装。每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的抑制二极管。4）高精度低漂移能隙基准电源MC1403MC1403的输出电压的温度系数为零，即输出电压与温度无关。MC1403采用8引线双列直插标准封装，如图45所示。图74MC1413电路结构和引脚排列图75MC1403外引脚排列图5电压显示器总原理图图76电压显示器总原理图八、频率数字显示器部分的设计1频率显示器原理数字频率计的主要功能是测量周期信号的频率。频率是单位时间（1S）内信号发生周期变化的次数。如果我们能在给定的1S时间内对信号波形计数，并将计数结果显示出来，就能读取被测信号的频率。数字频率计首先必须获得相对稳定与准确的时间，同时将被测信号转换成幅度与波形均能被数字电路识别的脉冲信号，然后通过计数器计算这一段时间间隔内的脉冲个数，将其换算后显示出来。这就是数字频率计的基本原理。2总体电路结构原理电路设计中要求输出的频率能够进行数字显示。以正弦信号为例，该电路先使检测信号通过由555构成的施密特触发器（整形电路）将正弦信号转化成同频率的脉冲信号，将被测信号直接加到主控门的输入端，再由555构成的多谐振荡器（时基电路）产生闸门信号至主控门，只有在闸门信号采样期间（时基信号的一个周期），输入信号才能通过主控门，由555构成的单稳态触发器（控制电路）控制计数器的清零和锁存器的锁存。对于频率为F的周期信号，用一个标准闸门信号（闸门宽度为TG）对被测信号的重复周期数进行计数，当计数结果为N时，FN/TG。改变时基信号的周期范围TG时，即可得到不同的测频范围。（1）闸门信号的采样时间为10S；（2）闸门信号的采样时间为1S；（3）闸门信号的采样时间为01S。函数信号整波电路时基电路锁存器计数器译码器数码管控制电路当主控门关闭时，计数器停止工作，显示器显示记录结果，此时控制电路输出一个清零信号，为后续新的取样做好准备，即能锁住一次显示时间，使其保留到接受新的取样为止。3单元电路设计与分析31整形电路电路图如图81所示图8132时基电路频率显示计的时基电路是采用555构成的多谐振荡器，控制计数器的输入脉冲。多谐振荡器不需要外加输入信号，只需要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号，矩形脉冲信号的频率是由电路参数R，C决定的，其电路图如图82。当闸门信号到来时，闸门开通，被测信号通过闸门进入计数器；当闸门信号脉冲结束时，闸门关闭，计数器无脉冲输入。计数器的CP脉冲信号是由待测信号和闸门信号相与来实现的。被测信号闸门信号清零信号锁存信号图82中有三个档位，每个档位对应不同电容从而产生不同宽度TG的闸门信号，产生的闸门信号如下图所示根据电路原理可经过计算得T107R5R6C31022ST207R6C3025S33控制电路频率显示器的控制电路是由555构成的单稳态电路。单稳态触发器的特点是它有一个稳态和一个暂稳态，在外加脉冲作用下，电路从稳态发转到暂稳态，依靠R，C定是电路的充，放电过程来维持暂稳态时间，其电路图如图83所示。控制电路利用闸门信号结束后产生的负跳变来产生锁存信号，同时锁存信号经过反相器又产生清零信号。图82闸门信号T1T2图8334计数器由于设计要求频率显示的范围是20HZ20KHZ，则计数器能计数的最大数不小于20000，将5片同步十进制计数器74LS160进行级联，即可实现本设计所要求的脉冲计数。5片计数器的清零端是由控制电路产生的，CP脉冲端是由待测信号经整形后产生的矩形波提供的。其级联电路图如图84。从左到右依次是十进制的万位、千位、百位、十位、个位。图84计数器级联35锁存器锁存器的作用是将计数器在T1结束时的计数值进行锁存，使显示器获得稳定的测量值。当时钟脉冲CP的正跳变到来时，锁存器的输出端等于输入，从而将计数器的输出值送到锁存器的输出端，正脉冲结束后，输出不再改变。我们采用74LS373，其管脚图如图85D1D8是数据输入端Q1Q8是输出端OC是三态允许控制端，低电平有效ENG锁存允许端当OC为低电平时Q1Q8为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线；当OC为高电平时，Q1Q8为高阻态，即不驱动负载。当ENG1时Q随D改变而改变；当ENG0时，Q被锁存在已建立的数据电平。对于我们设计的电路ENG端是由控制电路的输出信号决定的。36译码器及数码管的显示将计数器的输出值通过锁存器输送到7447七段数码显示译码器，驱动共阳极数码管显示。由锁存器到译码器到数码管的连接电路如图86所示。U174LS373DW1D32D43D74D85D136D147D178D18OC1ENG111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19GND10VCC20图8574LS373管脚图图86图87频率显示总电路图9、收获与体会及存在问题在看完所有的课程设计题目后我们组选择了这个函数信号发生器，一来这事模电与数电方面的结合，可以考察这学期的收货，而来许多东西都是书上的内容，想来更容易一些。我们组员先在网上参考了部分内容，一起讨论了方案。最后一起决定使用最接近课本的方案。在做课程设计的过程中，最难的便是涉及到了模拟与数字量之间的转换了，频率显示部分用了学到过的555芯片，但是幅度