函數(shù)信號發(fā)生器的設計

1、成績課程設計說明書題 目： 函數(shù)信號發(fā)生器的設計 課程名稱： 模擬電子技術 學 院： 電子信息及電氣工程學院 學生姓名： 學 號： 201102010063 專業(yè)班級： 自動化2011級2班 指導教師： 趙路華 2013年 6 月 7 日課 程 設 計 任 務 書設計題目函數(shù)信號發(fā)生器設計學生姓名張筱璐所在學院電子信息與電氣工程學院專業(yè)、年級、班自動化2011級2班設計要求：1、設計制作一個函數(shù)發(fā)生器電路；2、電路能輸出正弦波、方波和三角波三種波形；3、輸出信號的頻率要求可調；4、輸出波形的幅度可調。學生應完成的任務：設計一個函數(shù)發(fā)生器電路，并利用Proteus軟件進行電路仿真。利用DXP軟件

2、繪制電路原理圖，并設計制作電路的PCB板。根據(jù)設計原理對電路進行安裝調試，完成課程設計工作，并提交課程設計報告。參考文獻：1 童詩白.模擬電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦長海，張?zhí)禊i，翟亞芳.數(shù)字電子技術M.北京：北京大學出版社，2012.3 邱關源，羅先覺.電路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 閻 石.數(shù)字電子技術（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005工作計劃：5月27日29日完成原理圖的設計；5月29日31日進行PCB設計；6月3日號4日制作PCB板；6月5日7日電路板安裝與調試，提交課程設計報告。任務下達日期： 2013年5月27 日任務完成日

3、期： 2013年6月 7日 指導教師（簽名）： 學生（簽名）：函數(shù)信號發(fā)生器設計摘 要：本次設計了函數(shù)發(fā)生器電路，電路能輸出正弦波、方波和三角波三種波形，輸出信號的頻率和幅度均能調節(jié)。該電路包括兩部分，一是由ICL8038組成的8038集成函數(shù)發(fā)生器，該部分可以輸出正弦波，方波，三角波三種波形，且頻率在10Hz11kHz之間，可以通過電位器進行調節(jié)頻率和占空比;二是由集成運放ua741組成的放大電路，該部分能對輸出的信號進行放大，幅值范圍為0- 22V。關鍵詞：ICL8038；ua741；波形；原理圖；封裝；PCB目 錄161. 設計背景11.1 設計建議11.2 設計可行性研究12.設計方案

4、12.1 ICL8038簡介12.2函數(shù)發(fā)生器工作原理22.3放大器工作原理43. 方案實施73.1仿真過程73.2仿真結果73.3利用DXP軟件制作PCB83.4制作實物104. 結果與結論115. 收獲與致謝126. 參考文獻127. 附件131. 設計背景1.1 設計建議函數(shù)信號發(fā)生器是工業(yè)生產、產品開發(fā)、科學研究等領域必備的工具，它產生的正弦波和矩形波、三角波是常用的基本測試信號。在示波器、電視機等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運動，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波信號產生器作為時基電路。對于三角波，方波同樣有重要的作用，而函數(shù)信號發(fā)生器是指一般能自動產生方波 正弦波 三角波以及鋸齒

5、波階梯波等電壓波形的電路或儀器。因此，建議開發(fā)一種能產生方波、正弦波、三角波的函數(shù)信號發(fā)生器。1.2 設計可行性研究函數(shù)信號發(fā)生器根據(jù)用途不同，有產生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，其電路中使用的器件可以是分離器件，也可以是集成器件，產生方波、正弦波、三角波的方案有多種，如先產生正弦波，根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關系，再通過整形電路將正弦波轉化為方波，經過積分電路后將其變?yōu)槿遣āＲ部梢韵犬a生三角波-方波，再將三角波或方波轉化為正弦波。隨著電子技術的快速發(fā)展，新材料新器件層出不窮，開發(fā)新款式函數(shù)信號發(fā)生器，器件的可選擇性大幅增加，本次用到的ICL8038就是一種技術上很成熟的

6、可以產生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，選擇的方案在技術上是可行的。2.設計方案2.1 ICL8038簡介ICL8038是精密波形產生與壓控振蕩器，其基本特性為：可同時產生和輸出正弦波、三角波、方波與脈沖波等波形。（1）ICL8038電源電壓范圍寬，采用單電源供電時，VCC、GND的電壓范圍為+10-+30V；采用雙電源供電時，VCC-VEE的電壓可在±5-±15V內選取。電源電流約15mA。（2）振蕩頻率范圍寬，頻率穩(wěn)定性好。頻率范圍是0.001Hz-300kHz，頻率溫漂僅50ppm/(1ppm=10-6)。（3）輸出波形的失真小。正弦波失真度5%，經過仔細調整后，

7、失真度還可低到0.5%。三角波的線性度高達0.1%。（4）矩形波占空比的調節(jié)范圍很寬，D=1%-99%，由此可獲得窄脈沖、寬脈沖或方波。（5）外圍電路非常簡單，易于制作。通過調節(jié)外部阻容元件值，即可改變振蕩頻率，產生高質量的中、低頻正弦波，矩形波（或方波，窄脈沖）,三角波（或鋸齒波）等函數(shù)波形，其應用領域比普通單一波形的信號發(fā)生器更為 廣闊。此外8038還能實現(xiàn)FM調制，掃描輸出。ICL8038采用DIP14封裝，芯片內部包括兩個恒流源, 兩個電壓比較器，兩個緩沖器，正弦波變換器，模擬開關，RS觸發(fā)器。在構成函數(shù)波形發(fā)生器時，應將第7,8兩腳短接。其工作原理如下：利用恒流源對外接電容

8、進行充放電，產生三角波(或鋸齒波)，經緩沖器I從第3腳輸出，由觸發(fā)器獲得的方波（或鋸形波），經緩沖器從第九腳輸出。再利用正弦波變換器將三角波變換成正弦波，從第2腳輸出。改變電容器的充放電時間，可實現(xiàn)三角波與鋸齒波方波與矩形波的互相轉換。2.2函數(shù)發(fā)生器工作原理ICL8038是單片集成函數(shù)發(fā)生器，其內部原理電路框圖如圖1。在圖1中，ICL8038由恒流源I1、I2，電壓比較器C1、C2和觸發(fā)器等組成。電壓比較器I1、I2的門限電壓分別為2VR/3和VR/(VR=VCC+VEE)，電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調節(jié)，且I2必須大于I1。當觸發(fā)器的Q端輸出為低電平時，它控制開關S使電流源I2斷

9、開。而電流源I1則向外接電容C充電，使電容兩端電壓VC隨時間線性上升，當VC上升到VC=2VR/3時，比較器I1輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端Q由低電平變?yōu)楦唠娖?，控制開關S使電流源I2接通。由于I2>I1，因此電容C放電，Vc隨時間線性下降。當Vc下降到VcVR/3時，比較器I2輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端Q又由高電平變?yōu)榈碗娖?，I2再次斷開，I1再次向C充電，Vc又隨時間線性上升。如此周而復始，產生振蕩，若I2=2I1，Vi上升時間與下降時 圖1 間相等，就產生三角波輸出到腳。而觸發(fā)器輸出的方波經緩沖器輸出到腳9。三角波經正弦波變換器變成正弦波后由腳2輸出。因此，ICL808能輸出方波

10、、三角波和正弦波等三種不同的波形。 其中，振蕩電容C由外部接入，它是由內部兩個恒流源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態(tài)是由恒流源1對電容器C連續(xù)充電，增加電容電壓，從而改變比較器的輸入電平，比較器的狀態(tài)改變，帶動觸發(fā)器翻轉來連續(xù)控制的。當觸發(fā)器的狀態(tài)使恒流源2處于關閉狀態(tài)，電容電壓達到比較器1輸入電壓規(guī)定值的23倍時，比較器1狀態(tài)改變，使觸發(fā)器工作狀態(tài)發(fā)生翻轉，將模擬開關K由B點接到A點。由于恒流源2的工作電流值為2I，是恒流源1的2倍，電容器處于放電狀態(tài)，在單位時間內電容器端電壓將線性下降，當電容電壓下降到比較器2的輸入電壓規(guī)定值的13倍時，比較器2狀態(tài)改變，使觸發(fā)器又翻轉回到原來的狀態(tài)

11、，這樣周期性的循環(huán)，完成振蕩過程。在以上基本電路中很容易獲得3種函數(shù)信號，假如電容器在充電過程和在放電過程的時間常數(shù)相等，而且在電容器充放電時，電容電壓就是三角波函數(shù)，三角波信號由此獲得。由于觸發(fā)器的工作狀態(tài)變化時間也是由電容電壓的充放電過程決定的，所以，觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉，就能產生方波函數(shù)信號，在芯片內部，這兩種函數(shù)信號經緩沖器功率放大，并從管腳3和管腳9輸出。適當選擇外部的電阻RA和RB和C可以滿足方波函數(shù)等信號在頻率、占空比調節(jié)的全部范圍，我們選擇RA=RB=4.7K，C=0.1uF。因此，對兩個恒流源在I和2I電流不對稱的情況下，可以循環(huán)調節(jié)，從最小到最大，任意選擇調整，所以，只要調節(jié)電

12、容器充放電時間不相等，就可獲得三角波等函數(shù)信號。正弦函數(shù)信號由三角波函數(shù)信號經過非線性變換而獲得。利用二極管的非線性特性，可以將三角波信號的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非線性網絡是由4級擊穿點的非線性逼近網絡構成。一般說來，逼近點越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在實測中得到正弦信號的失真度可達05左右。其精度效果相當滿意。為了減小正弦波失真，在管腳11和12之間的電阻最好是可變電阻。這種安排使失真少于1%是可以達到的。ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器?？捎脝坞娫垂╇?，也可雙電源供電，他們的值為±5-±

13、;15 V，我們取±12 V，輸出矩形波的占空比可調范圍為590。由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器所產生的正弦波是由三角波經非線性網絡變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調節(jié)輸出正弦波失真度而設置的。圖2為一個調節(jié)輸出正弦波失真度的典型應用，其中第1腳調節(jié)振蕩電容充電時間過程中的非線性逼近點，第12腳調節(jié)振蕩電容在放電時間過程中的非線性逼近點，在實際應用中，兩只100K的電位器應選擇多圈精度電位器，反復調節(jié)，可以達到很好的效果。 圖22.3放大器工作原理為了實現(xiàn)輸出信號幅度可調，可以加入運放741來實現(xiàn)，采用反相放大比例電路，接法如下圖3所示：圖3反相輸入放大電路如圖3所示，信

14、號電壓通過電阻R2加至運放的反相輸入端，輸出電壓Vo通過反饋電阻R1反饋到運放的反相輸入端，構成電壓并聯(lián)負反饋放大電路。利用虛短和虛斷的概念進行分析：Va=0,V1/R2=-V0/R1,則Vo=-IR1=-R1V1/R2放大倍數(shù)為Au=-R1/R2綜合來看可以得到如下的電路圖：圖4圖中，Rp2為可調式電阻，調節(jié)能改變振蕩頻率以及矩形波的占空比。時電接口1所接的100K可調式電阻用來調整正弦波的失真。由于第9腳為集電極開路輸出，必須外接集電極負載電阻R=4.7K。該電路適合對振蕩器作小范圍調整（R是調節(jié)電阻），并使正弦波的失真度減小到0.5%以下，R p3、R p4為失真度調節(jié)電阻。ua741運

15、放可調節(jié)輸出幅度，最大可放大5倍。電路供電電壓+12V、-12V，幅值理論上為24V。電路輸出頻率范圍為10Hz11kHz。根據(jù)ICL8038的內部電路和外接電阻可以推導出占空比的表達式為： T1/T=(2RA-RB)/2RA=50%此時輸出為對稱的方波、三角波和正弦波，還可通過RP2進行調節(jié)。電路的振蕩頻率為f=1/T=I1(1-I1/I2)/VhC,其中Vh為比較器的上下限電壓差值，即：2VCC/3-VCC/3=VCC/3。電路設計通常取I2=2I1，因此電路的振蕩頻率應為：f=1/T=I1(1-I1/I2)/VCC/3=3I1/2VCC特別，當R1=R2=R時，I2=2I，即t1=t2，

16、D=50%，此時輸出為對稱的方波、三角波和正弦波。式子化簡成: fo=0.3/RC 如果在把第4、5兩腳短接，經過一只公用的定時電阻R接VCC，振蕩頻率的計算公式 : fo =0.15/R從8腳外加電位器調節(jié)電流大小以改變電路振蕩頻率。注意事項：（1）用單電源供電時，三角波和正弦波的平均值等于VCC /2，而方波幅度為 +V。用雙電源供電時，所有輸出波形相對于地（GND）電平均是正負相稱的。 （2）方波輸出的電壓幅度不受+V的限制，也可以把負載電阻R4改接其它電源電壓VCC上，但VCC不得超過+30V。 （3）為減小正弦波的失真，可將圖4中的R3（1K）換成10K電阻。圖4電路對振蕩器作小范圍

17、調整（R是調節(jié)電阻），并使正弦波的失真度減小到0.5%以下，R4、R7為失真度調節(jié)電阻。3. 方案實施3.1仿真過程選用Proteus軟件進行仿真，由于是第一次使用Proteus軟件，所以對于一些器件不知道名稱，可去百度上搜索元件名稱然后在元件庫中選取。按照圖4在元件庫中找到各個元件，要注意布局，盡量美觀，還要注意連線時不要出現(xiàn)錯誤的交叉節(jié)點，這就要求正確選擇各個元件的位置，結果如圖5所示：圖53.2仿真結果運行所設計的電路，觀測示波器的波形，調節(jié)滑動變阻器Rw1可以調節(jié)三種波的幅度，頻率可通過調節(jié)各個滑動變阻器來實現(xiàn)。期間出現(xiàn)一個問題，當?shù)谝淮畏抡娼Y束，進行第二次仿真時，點擊左下角仿真按鈕后

18、，不出現(xiàn)示波器界面，然后去百度搜索可以解決，在上方工具欄點“調試”按鈕，點擊最下面的示波器選項，就可以顯示了。其結果如圖6所示。圖63.3利用DXP軟件制作PCB 由于DXP中也沒有ICL8038芯片，這為制作PCB帶來了困難，曾經想過自己制作8038的PCB封裝模型，但是不知道它的具體參數(shù)。后來在Proteus中找到ICL8038的封裝，測量參數(shù)知，兩個焊盤間距50mil，總長300mil，寬度100mil，焊盤中心到每側邊界距離是50mil。在DXP中尋找DIP-14型元件，測量其封裝參數(shù)，經選擇找到封裝與ICL8038類似的DIP-14型元件SW DIP-7，用其代替ICL8038制作原

19、理圖。在選擇開關時，之前一直用的是單刀單擲開關，在本次課程設計中沒有采購單刀單擲開關，故用一個HEADER 3×2代替之前的三個單刀單擲開關。另外還必須考慮到電源的問題，所以加上一個HEADER3，最后的原理圖如下圖9所示：圖7將原理圖導入PCB中,由于對板子外形有要求10cm×5cm，所以可用PCB向導來規(guī)定一個工作區(qū)域。另外按照課程設計要求，修改規(guī)則單位采用公制單位（mm）。電源線和地線要求采用0.8mm或是0.6mm,如果從兩個焊盤中間穿過時用0.4mm或0.3mm。信號線采用0.5mm。如果從兩個焊盤中間穿過時用0.4mm或0.3mm。焊盤的內徑用0.9mm或0.8

20、5mm。外徑根據(jù)需要進行修改，一般為X方向1.6 mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0 mm，Y方向1.6mm。對于修改線的寬度可有兩種辦法：一是在工具欄中點擊設計規(guī)則width,修改為min為0.3mm，max為0.8m，preferred為0.5mm，然后在width中添加電源規(guī)則，使電源線寬度為0.8mm。二是連線結束后，在空白處點擊右鍵選擇相似對象，點擊電源線，在彈出的界面中VCC后選擇same，然后查找，再統(tǒng)一修改電源線。但是第二種方法會使你的連線出現(xiàn)錯誤，因此建議使用第一種方法。由于該設計使用的是單層板，所以可以在規(guī)則中選擇Routing Layers不允許頂層布線。準備工作做

21、好后調整元件位置，爭取連線不出現(xiàn)交叉后進行布線，曾經嘗試自動布線，但是自動布線結果不令人滿意，所以要手動布線。布線時不允許出現(xiàn)交叉線，布線完成后在工具中選擇設計規(guī)則檢查，檢測沒有錯誤后補加淚滴。結果如圖8：圖83.4制作實物 打印PCB結果，如圖9。用塑模機進行塑模處理，要注意塑模機必須預熱，否則效果不好，電路印不上去。然后用鹽酸和雙氧水混合溶液腐蝕出通路，鹽酸與雙氧水比例大概在1:1，水要多加。領取元器件，對照PCB安放器件，然后焊接，在焊接的過程中，當兩個焊盤中間經過導線的情況不容易焊接，不能讓焊點與銅線有交叉，否則容易短路，明白了為什么在布線的時候，穿過焊盤的信號線要細于一般信號線，這是

22、為了在焊接的時候避免出現(xiàn)錯誤。在設計時候沒有考慮到輸出情況，缺少輸出線，用跳線代替。另外還有一個小問題，在制作原理圖時，由于把兩個電阻都命名為R1，于是在制作PCB時候，以為兩個R1重復，刪去了一個電阻，導致焊接實物時多出來一個電阻，不得已直接焊接到電路板后面。在以后的學習過程中，要細致認真，不能再出現(xiàn)這種錯誤。實物如圖10：圖9圖104. 結果與結論 調試中，要注意電源接口的正負極還有接地分別是哪個端口，不要接錯，以免接錯出現(xiàn)短路，燒壞器件。由于事先沒有考慮好電源問題，導致正負電源接口靠的過緊，給接線帶來一定的麻煩。對于開關也只好用一根導線來接觸HEADER的兩端來切換三種波形。在調試中出現(xiàn)

23、以下問題：1、正弦波波形左、右傾斜失真現(xiàn)象。2、電路輸出的方波波形幅值范圍應為0- 22V，實際最大只能調到19V左右。3、電路輸出頻率范圍為10Hz11kHz，實際最大只能調到10kHz左右。誤差原因分析：正弦波輸出波形左、右傾斜是因為其占空比值非50%。ICL8038芯片4腳和5腳之間的電位器Rv1用于占空比調整，調節(jié)該電位器可以改變輸出波形的左、右斜度?？梢韵葘⒉ㄐ芜x擇開關接至方波方式，調節(jié)電位器使方波占空比為50%，然后再將開關切換回正弦波方式，可以觀察到波形左右對稱。實驗電路供電電壓+12V、-12V，幅值理論上為24V，實際能達到的最大值在1619V之間，誤差原因是芯片內部的晶體分壓，產生削頂，導致幅度沒有達到預期要求。還有可能是在焊接過程中出現(xiàn)虛焊現(xiàn)象，可以檢查焊點是否牢固。在調試中不要長時間給電路供電，以免出現(xiàn)芯片過熱，燒壞芯片。5. 收獲與致謝在本學期的課程設