正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

1、-正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目： 班 級(jí)： 班級(jí)學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 目錄 一、預(yù)備知識(shí).1 三、課程設(shè)計(jì)目的及基本要求.2 四、設(shè)計(jì)內(nèi)容提要及說(shuō)明.3 4.1設(shè)計(jì)內(nèi)容.3 4.2設(shè)計(jì)說(shuō)明.3 五、原理圖及原理.8 5.1功能模塊電路原理圖.9 5.2模塊工作原理說(shuō)明.10 六、課程設(shè)計(jì)中涉及的實(shí)驗(yàn)儀器和工具.12 七、課程設(shè)計(jì)心得體 會(huì).12 八、參考文 獻(xiàn).12 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 一、預(yù)備知識(shí) 函數(shù)發(fā)生器是一種在科研和生產(chǎn)中經(jīng)常用到的基本波形生產(chǎn)期，現(xiàn)在多功能的信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)被制作成專(zhuān)用的集成電路，在國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的8038單

2、片函數(shù)波形發(fā)生器，可以產(chǎn)生高精度的正弦波、方波、矩形波、鋸齒波等多種信號(hào)波，這中產(chǎn)品和國(guó)外的lcl8038功能相同。產(chǎn)品的各種信號(hào)頻率可以通過(guò)調(diào)節(jié)外接電阻和電容的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供了極大的方便。發(fā)生器是可用于測(cè)試或檢修各種電子儀器設(shè)備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶，也可用作高頻信號(hào)發(fā)生器的外調(diào)制信號(hào)源。顧名思義肯定可以產(chǎn)生函數(shù)信號(hào)源，如一定頻率的正弦波，有的可以電壓輸出也有的可以功率輸出。下面我們用簡(jiǎn)單的例子，來(lái)說(shuō)明函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理。 (a) 信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)主要由下面幾個(gè)部分組成：主振級(jí)、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器

3、(輸出變壓器)和指示電壓表。 (b) 工作模式：當(dāng)輸入端輸入小信號(hào)正弦波時(shí)，該信號(hào)分兩路傳輸，其一路徑回路，完成整流倍壓功能，提供工作電源;另一路徑電容耦合，進(jìn)入一個(gè)反相器的輸入端，完成信號(hào)放大功能。該放大信號(hào)經(jīng)后級(jí)的門(mén)電路處理，變換成方波后經(jīng)輸出。輸出端為可調(diào)電阻。 (c) 工作流程：首先主振級(jí)產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號(hào)，信號(hào)則需要經(jīng)過(guò)電壓放大器放大，放大的倍數(shù)必須達(dá)到電壓輸出幅度的要求，最后通過(guò)輸出衰減器來(lái)直接輸出信號(hào)器實(shí)際可以輸出的電壓，輸出電壓的大小則可以用主振輸出調(diào)節(jié)電位器來(lái)進(jìn)行具體的調(diào)節(jié)。 它一般由一片單片機(jī)進(jìn)行管理，主要是為了實(shí)現(xiàn)下面的幾種功能： (a) 控制函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率; (

4、b) 控制輸出信號(hào)的波形; (c) 測(cè)量輸出的頻率或測(cè)量外部輸入的頻率并顯示; (d) 測(cè)量輸出信號(hào)的幅度并顯示; (e) 控制輸出單次脈沖。 查找其他資料知：在正弦波發(fā)生器中比較器與積分器組成正反饋閉環(huán)電路，方波、三角波同時(shí)輸出。電位器與要事先調(diào)整到設(shè)定值，否則電路可能會(huì)不起振。只要接線(xiàn)正確，接通電源后便可輸出方波、三角波。微調(diào)Rp1，使三角波的輸出幅度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，調(diào)節(jié)Rp2，則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。 調(diào)整電位器及電阻，可以使傳輸特性曲線(xiàn)對(duì)稱(chēng)。調(diào)節(jié)電位器使三角波的輸出幅度經(jīng)R輸出等于U值，這時(shí)輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)節(jié)電位器的大小可改善波形。 因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)由PNP型與NPN型兩種

5、晶體管組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，輸 - 1 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 出方波時(shí)，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)受輸出電阻的影響，使方波輸出 值小于電源電壓值，故方波輸出電壓Up-p2Vcc。方波的上升時(shí)間tr主要受 運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率的限制。 方案 采用分立器件實(shí)現(xiàn)電路組成，主要的部件有雙運(yùn)放358運(yùn)算放大器、電壓比 較器、積分運(yùn)算電路、差分放大電路、選擇開(kāi)關(guān)、電位器和一些電容、電阻組 成。該方案由三級(jí)單元電路組成的，第一級(jí)單元可以產(chǎn)生方波，第二級(jí)可以產(chǎn) 生三角波，第三級(jí)可以產(chǎn)生正弦波，通過(guò)第二級(jí)的選擇開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)頻率波段 的轉(zhuǎn)換，通過(guò)對(duì)差分放大電路部分元器件的調(diào)節(jié)來(lái)改善正弦波產(chǎn)生的波形。4017

6、 這類(lèi)單片硅集成電路器件提供輸出短路保護(hù)和閉鎖自由運(yùn)作，可以方便的輸出 精度較高的方波、三角波、正弦波，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)差分放大電路的各個(gè)參數(shù) 調(diào)節(jié)正弦波的失真。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較 強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，可將頻率很 低的三角波變換成正弦波。 三、課程設(shè)計(jì)目的及基本要求 1. 掌握函數(shù)信號(hào)發(fā)生器工作原理。 2. 熟悉集成運(yùn)放的使用。 要求 1. 用集成運(yùn)放組成正弦波、方波和三角波發(fā)生器。 2. 幅值和頻率自定義。 3. 正弦波、方波和三角波的幅值、頻率可調(diào)。 4. 輸出頻率范圍：20HZ20KHZ 5. 輸出電壓幅度：UPP>

7、;6V - 2 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 四、設(shè)計(jì)內(nèi)容提要及說(shuō)明 4.1設(shè)計(jì)內(nèi)容 圖411 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器原理圖 采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。并采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法： 由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。設(shè)計(jì)差分放大器時(shí)，傳輸特性曲線(xiàn)要對(duì)稱(chēng)、線(xiàn)性區(qū)要窄，輸入的三角波的的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線(xiàn)的非線(xiàn)性。 4.2設(shè)計(jì)說(shuō)明 方波發(fā)生電路從一般原理來(lái)分析,可以

8、在滯回比較器電路的基礎(chǔ)上,靠正反饋和RC充放電回路組成矩形波發(fā)生電路,由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)，高電平或低電平，兩種不同的輸出電平式RC電路進(jìn)行充電和放電，于是電容上的電壓降升高或降低，而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路由充電過(guò)程變成放電過(guò)程或相反，如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個(gè)高低電平變化周期性交替的方波信號(hào) - 3 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 圖421積分電路 1、555定時(shí)器 如圖為555等效功能框圖中包含兩個(gè)COMS電壓比較器A和B，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)反相器，一個(gè)P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管構(gòu)成的放電開(kāi)關(guān)

9、SW，三個(gè)阻值相等的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，以及輸出緩沖級(jí)。三個(gè)電阻組成的分壓網(wǎng)絡(luò)為上比較器A和下比較器B分別提供2Vcc/3和1Vcc/3的偏置電壓。 圖422 555定時(shí)器原理 定時(shí)器的功能主要取決于比較器,比較器A、B的輸出控制著RS觸發(fā)器和三級(jí)管sw的狀態(tài),4號(hào)管腳(Rd)為復(fù)位端.當(dāng)Rd=0時(shí),輸出Uo=0,sw管飽和導(dǎo)通.此時(shí)其他輸入端狀態(tài)對(duì)電路清0狀態(tài)無(wú)影響。正常工作時(shí)，應(yīng)將Rd接高電平。 像上面所說(shuō)的那樣, 當(dāng)控制電壓輸入端5腳懸空時(shí)，比較器A、B的基準(zhǔn)電壓分別為2Ucc/3，和Ucc/3。如果5腳ui外接固定電壓，則比較器A、B的基準(zhǔn)電壓為Ui和Ui/2。 由圖5可知，若5腳懸空，當(dāng)u

10、i6<2Ucc/3，ui2<Ucc/3時(shí)，比較器A、B分別輸出高電平和低電平，即R=1，S=0，使基本RS觸發(fā)器置1 ，放電三極管截 - 4 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 止，輸出u0=1。 當(dāng)ui6<2Ucc/3，ui2>3Ucc時(shí)，比較器C1輸出低電平，比較器C2輸出高電平，即R=1，S=1。 RS觸發(fā)器維持原狀態(tài)，使u0輸出保持不變。 當(dāng)ui6>2Ucc/3，ui2<Ucc/3，比較器C1、C2均輸出低電平，即R=0，S=0。這種情況對(duì)于基本RS觸發(fā)器屬于禁止?fàn)顟B(tài)。 綜上分析，可得555定時(shí)器功能表如表1所示。 圖424 CD4017工作原理及應(yīng)用電路圖

11、十進(jìn)制計(jì)數(shù)分頻器CD4017，其內(nèi)部由計(jì)數(shù)器及譯碼器兩部分組成，由譯碼輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖信號(hào)的分配，整個(gè)輸出時(shí)序就是O0、O1、O2、?、O9依次出現(xiàn)與時(shí)鐘同步的高電平，寬度等于時(shí)鐘周期。 CD4017有10個(gè)輸出端（O0O9）和1個(gè)進(jìn)位輸出端O5-9。每輸入10個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，O5-9就可得到1個(gè)進(jìn)位正脈沖，該進(jìn)位輸出信號(hào)可作為下一級(jí)的時(shí)鐘信 - 5 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 號(hào)。CD4017有3個(gè)輸（MR、CP0和CP1），MR為清零端，當(dāng)在MR端上加高電平或正脈沖時(shí)其輸出O0為高電平，其余輸出端（O1O9）均為低電平。CP0和CPl是2個(gè)時(shí)鐘輸入端，若要用上升沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CP0端輸入；若要

12、用下降沿來(lái)計(jì)數(shù)，則信號(hào)由CPl端輸入。設(shè)置2個(gè)時(shí)鐘輸入端，級(jí)聯(lián)時(shí)比較方便，可驅(qū)動(dòng)更多二極管發(fā)光。由此可見(jiàn)，當(dāng)CD4017有連續(xù)脈沖輸入時(shí)，其對(duì)應(yīng)的輸出端依次變?yōu)楦唠娖綘顟B(tài)，故可直接用作順序脈沖發(fā)生器。 圖425 CD4017引腳圖 2CD4017級(jí)連后可以順序輸出24個(gè)高電平，同上理可組合出各種不同的發(fā)光方式，見(jiàn)圖3，可使6串彩燈向右流水發(fā)光，再向左流水發(fā)光，中心向兩邊散開(kāi)后再向中心靠攏發(fā)光，1、3、5、2、4、6串間隔發(fā)光等等 3.LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電

13、源電壓無(wú)關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 - 6 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 圖426 LM358引腳圖 電位計(jì)(potentiometer)或稱(chēng)(電壓計(jì))，也稱(chēng)為“pots”或可變電阻器，通常被制造成不管使用多久均能維持原有的特性，若當(dāng)位置傳感器使用，電位計(jì)可以是直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)式位置傳感器。電位計(jì)輸出一個(gè)電壓值，其正比于沿著可變電阻器之滑動(dòng)器的位置。因?yàn)闇囟茸兓?、磨耗及滑?dòng)器與可變電阻器之間的污垢均會(huì)造成電阻變化，影響電位計(jì)的精度，因此，電位計(jì)有太低的準(zhǔn)確度。由于材料的發(fā)展，特別是在導(dǎo)電性塑料，使得電位計(jì)在使用很長(zhǎng)時(shí)間后仍可以維持原有特性

14、，同時(shí)也改進(jìn)它們的性能。 圖427電位計(jì)引腳圖 - 7 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 電位計(jì)的缺點(diǎn)： 1. 精確度不佳，不能做為精密伺服控制( 如機(jī)械臂的主要位置回授裝置。 2. 電刷移動(dòng)時(shí)和電阻保持接觸而引起磨損。 3. 電位器輸出會(huì)受環(huán)境影響。 4. 需要模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換裝置，方能提供數(shù)字輸出給控制器(計(jì)算機(jī)) 五、原理圖及原理說(shuō)明 圖511原理圖 - 8 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 圖512電路板 圖513電路板焊接圖 5.1功能模塊電路原理圖 從一般原理來(lái)分析,可以在滯回比較器電路的基礎(chǔ)上,靠正反饋和RC充放 - 9 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 電回路組成矩形波發(fā)生電路,由于滯回比較器的輸出只有

15、兩種可能的狀態(tài)，高電平或低電平，兩種不同的輸出電平式RC電路進(jìn)行充電和放電，于是電容上的電壓降升高或降低，而電容的電壓又作為滯回比較器的輸入電壓，控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路由充電過(guò)程變成放電過(guò)程或相反，如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，最后在滯回比較器的輸出端即可得到一個(gè)高低電平變化周期性交替的方波信號(hào) 5.2模塊工作原理說(shuō)明 圖521 三角波變成正弦波電路圖 - 10 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 三角波發(fā)生電路在產(chǎn)生方波之后，利用此波形輸入到一個(gè)積分電路便可輸出一個(gè)三角波。由于三角波信號(hào)是電容的充放電過(guò)程形成的指數(shù)形式，所以線(xiàn)性度較差，為了能得到線(xiàn)性度較好的三角波，可以將運(yùn)放和幾個(gè)電阻，電

16、容構(gòu)成積分電路。正弦波發(fā)生電路 利用差分放大器傳輸特曲線(xiàn)的非線(xiàn)性，將三角波信號(hào)轉(zhuǎn)化成正弦波信號(hào)。其傳輸特性曲線(xiàn)越對(duì)稱(chēng)，線(xiàn)性區(qū)越窄越好，三角波的幅值pp應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)和截止去。 圖522 積分電路圖 - 11 - 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 六、課程設(shè)計(jì)中涉及的實(shí)驗(yàn)儀器和工具 表61元件清單 七、課程設(shè)計(jì)心得體會(huì) 本課題根據(jù)設(shè)計(jì)中要實(shí)現(xiàn)的功能，經(jīng)過(guò)自己認(rèn)真地分析、實(shí)踐，確立方案，書(shū)寫(xiě)文檔，設(shè)計(jì)出電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中翻閱了資料，通過(guò)對(duì)所得的各種資料的綜合分析，總結(jié)出自己需要的信息，從而提高自己的分析能力；通過(guò)對(duì)主要技術(shù)指標(biāo)的分析，認(rèn)真體會(huì)了設(shè)計(jì)時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)；通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)的各種問(wèn)題的分析與解決，獨(dú)立分析，進(jìn)行設(shè)計(jì)；通過(guò)對(duì)電路設(shè)計(jì)中的某些問(wèn)題的較為深入的探索，培養(yǎng)了自己的設(shè)計(jì)能力；通過(guò)設(shè)計(jì)論文的書(shū)寫(xiě)，文字表達(dá)能力和對(duì)工作的認(rèn)真態(tài)度。 在設(shè)計(jì)中遇到了一些實(shí)際困難，通過(guò)本人及同組同學(xué)多次查找參考資料，以及同學(xué)之間的仔細(xì)交流，終于豁然開(kāi)朗