开放性实验报告

开放性实验报告题目：函数信号发生器的设计专业：通信工程学生姓名：班级学号：指导老师：张瑛日期：2012/12/26设计内容：采用集成电路函数发生器ICL8038设计并制作一个能产生三角波、正玄波、方波的函数信号发生器。设计要求：基本要求：信号频率范围1HZ-100KHZ正玄波峰峰值：3v幅值可调方波峰峰值：5V幅值可调三角波峰峰值：5V幅值可调频率控制方式手动通过改变时间常数RC实现拓展要求：通过改变控制电压的实现频率的压控，压控电压范围0-3V总体设计方案：1.ICL8038是一款性能优良的集成函数信号发生器，即可用单电源供电，也可用双电源供电。电源供电：引脚11接地，6脚接+Vcc，其值为10—30V。双电源供电：引脚11接-Vee,6脚接+Vcc，其值为5—15V。频率的可调范围为：0.001HZ——300KHZ。输出矩形波的占空比可调范围为2%——98%，上升时间为180us，下降时间为40ns，输出三角波的非线性小于0.05%，输出的正弦波的失真小于1%。如上图所示，缓冲电路I是电压跟随器，缓冲电路II是反相器，用于隔离波形发生电路和负载，以提高负载能力。电压比较器I阀值电压时2/3Vcc，电压比较器II的阀值电压为1/3Vcc，其输入电压为电容C两端的电压Uc，它们的输出电压分别控制Rs触发器的置位端和复位端，为得到在比较宽松的频率范围内，有三角波到正弦波的转换内设一个由电阻与晶体管组成的折线近似转换网络（正弦波变换器），已得到低失真的正弦信号输出；Rs触发器的状态输出端用来控制电子模型开关S，以实现对电容的充放电功能，电流源Is与Is2的大小可通过外接电阻的调节，但Is2必须大于等于Is1,若Is2=Is1，则触发器的输出方波，金缓冲电路2输出到管脚9，在Is1=Is1的条件下Uc上升与下降的时间相等，其电压输出为三角波，经缓冲电路I输出到管脚2，并通过三角波编正弦波的变换电路从管脚3输出正弦波，当Is1<Is2<Is3时，Uc上升与下降的时间不相等，管脚2输出锯齿波，管脚9输出矩形波。通电后，触发器的输出端Q为低电平时，开关s断开，电流源Is1给电容充电，因充电电流时恒流，故他的两端的电压Uc随时间线性上升，当Uc达到电源电压的2/3倍时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器的输出端Q由低电平跳为高点平，开关S接通，由于电流源的电流Is2大于Is1，因放电电流是恒流，所以Uc随时间线性下降，当他下降到电源电压的1/3倍时，电压比较器II的输出电压发生跳变，是触发器的输出端Q由高电平跳变到低电平，开关S断开，电流源Is1再给电容充电，Uc又随时间线性上升，如此周而复始，电路产生自激震荡。通过以上分析可知，改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。2.在下图中，引脚1：正弦失真度的调整引脚2：正弦波的输出引脚3：三角波的输出引脚4，5：占空比及频率调整，外接电阻和电位器，进行恒流源调节，用以改变输出信号的占空比和频率引脚6：+Vcc引脚7:调频偏置电压，数值是引脚7偏置电压与电源+Vcc之差，它可作为引脚8的输入电压引脚8：调频电压输入端，电路的振荡频率与该电压成正比引脚9：矩形波的输出引脚10：外接电容：改变其电容则改变了充电时间常数，也即改变了触发器的翻转时间引脚11：-Vcc或接地引脚12：正弦波失真度调整引脚13，14：空脚（NC）ICL8038管脚功能图：3.函数发生器能自动产生正弦波，三角波，方波及锯齿波，阶梯波等电压波形。其电路中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），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ICL8038）。产生正弦波，方波，三角波的方案有多种，如产生正弦波，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。如图所示：差分放大器积分器比较器差分放大器积分器比较器函数发生器组成框图eq\o\ac(○,1)方波—三角波产生电路方波—三角波产生电路电路工作原理如下：若a点断开运放A1与R1，R2，及R3，PR1组成电压比较器，R1称为平衡电阻，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转；运放的反相端接基准电压，即V=0，同相接输入电压Via；比较器的输入Via；比较器的输出Vo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源-Vee（|+Vcc|=|-Vee|），当比较器的V+=V-=0时，比较器的翻转，输出Vo1从高电平+Voc跳到低电平-Vee或从低电平-Vee跳到高电平+Vee，设Vo1=+Vcc，则：V+=式中，RP1电位器的调整值，将上式整理，得比较器翻转的下门限电位Via=若Vo1=-Vee则比较器翻转的上门限电位Via+=比较器的门限宽度VH=Via+-Via-=2由Vt=0~VH=2式可得比较器的电压传输特性，如下图所示：V01+VccViaVia-Via+-VEE比较器电压传输特性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V01，则积分器输出V02=-1/(R4+RP2)C2∫V01dt当V01=+Vcc时，V02=-(+Vcc)/(R4+RP2)C2*t=-Vcc/(R4+RP2)C2*t当V01=-VEE时，V02=-(-VEE)/(R4+RP2)C2*t=Vcc/(R4+RP2)C2*t可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相同的三角波，其波形关系如图所示：vo+Vccvo1R2/(R3+RP1)*Vccvo2Ot-VEET方波—三角波a点闭合，即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V02m=R2/R3+RP1*Vcc方波—三角波的频率f=R3+RP1/4R2(R4+RP2)C2由上得出的结论：eq\o\ac(○,1)电位器RP2在调整方波—三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。诺要求输出频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调啊。eq\o\ac(○,2)方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。电位器RP2可实现幅度微调，但会影响方波—三角波的频率。eq\o\ac(○,2)三角波—正弦波变换电路波形变换的原理是：利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。分析表明，差分放大器的传输特性曲线ic1（或ic2）的表达式为ic1=aiE1=aIo/1+e-vid/VT式中，a=Ic/IE=1;Io为差分放大器的横流电流；VT为温度的电压当量，当室温为25oC时，VT=26mv。如果vid为三角波，设表达式4Vm/T(t-T/4)(0<=t<=T/2)vid=-4Vm/T(t-3/4T)(T/2<=t<=T)式中，Vm为三角波的幅度；T为三角波的周期。将式中代入式中，得aIo/1+e(t-T/4)(0<=t<=T/2)ic(t)=aIo/1+e(t-3/4T)(T/2<t<=T)用计算机进行计算，打印输出的ic1(t)或ic2(t)曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压vc1(t),vc2(t)亦近似于正弦波，波形变换过程如图所示：为使输出波形更接近正弦波，要求：eq\o\ac(○,1)传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄；eq\o\ac(○,2)三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。如下图所示的为三角波—正弦波的变换电路。其中，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。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4.实验原理图：ICL8038实验电路图压控调频的函数发生器参考电路四.实验设备和器件：1、±12V直流电源

2、双踪示波器3、频率计

4、直流电压表5、ICL8038

6、晶体三极管3DG12×1(9013)电位器、电阻器、电容器等五．实验内容：

1、按上图所示的电路图组装电路，取C＝0.01μf，W1、W2、W3、W4均置中间位置。

2、调整电路，使其处于振荡，产生方波，通过调整电位器W2，使方波的占空比达到50％。

3、保持方波的占空比为50％不变，用示波器观测8038正弦波输出端的波形，反复调整W3，W4，使正弦波不产生明显的失真。4.调节电位器W1，使输出信号从小到大变化，记录管脚8的电位及测量输出正弦波的频率，列表记录之。

5、改变外接电容C的值（取C＝0.1和1000P），观测三种输出波形，并与C＝0.01μf时测得的波形作比较，有何结论？

6、改变电位器W2的值，观测三种输出波形，有何结论？7、如有失真度测试仪，则测出C分别为0.1μf，0.01μf和1000P时的正弦波失真系数r值（一般要求该值小于3％）。六．实验中调试要点1）方波—三角波发生器的调试：由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。如果电路接线正确，则在接通电源后，A1的输出v01为方波，A2的输出v02为三角波，微调RP2，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节RP2，则输出频率连续可变。2）三角波—正弦波变换电路的调试：三角波—正弦波变换电路可利用差分放大器电路来实现。电路的调试步骤：eq\o\ac(○,1)差分放大器传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压Vid=50mv，fi=100Hz的正弦波。调试RP4及电阻R*，使传输特性曲线对称。再逐渐增大vid，直到传输特性曲线形状如图所示：Vc/vVc1vc2QVcVc+Vid/mv差模传输特性曲线记下此时对应的峰值Vidm。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点。eq\o\ac(○,2)三角波—正弦波变换电路将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度（经RP3后输出）等于Vidm值，这时v03的波形应接近正弦波，调节C6，改善波形。如果v03的波形如图所示：（a）（b）（c）几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的措施如下：钟形失真：如图（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。半波原顶或平顶失真：如图（b）所示，传输特性曲线对称性差，静态工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。非线性失真：如图（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。六．实验结果：七．实验总结：在这次的开放性实验中，我学到了很多，不光是学术上的知识学问，还有人与人之间的分工合作，在做这个课题的时候，我了解到了分工合作的重要性，在进行正式的电路组装之前，我和我的组员先进行了模拟，先是在实验箱上进行电路连接验证，验证我们设计的电路是否正确。第一次的模拟没有成功，不能正确的输出方波，三角波和正弦波，后来改变了电路，在原来的基础上接入了一个三极管，主要用于控制输出的波形，最后方波三角波和正弦波都能正常输出了，接着便是进行电路的组装焊接，在焊接的过程中我们遇到了