簡易信號發(fā)生器

1、 2011 2012 學(xué)年 第 二 學(xué)期 簡易信號發(fā)生器 課 程 設(shè) 計 報 告題 目： 簡易信號發(fā)生器設(shè)計（方案一） 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 姓 名：指導(dǎo)教師： 電氣工程系2011年5月12日任務(wù)書課題名稱簡易信號發(fā)生器設(shè)計指導(dǎo)教師（職稱）江春紅 執(zhí)行時間2011 2012 學(xué)年第2 學(xué)期 第12 周學(xué)生姓名學(xué)號承擔任務(wù)設(shè)計目的1、 掌握信號發(fā)生器的設(shè)計方法和測試技術(shù)2、 了解單片函數(shù)發(fā)生器IC8038的工作原理和應(yīng)用。3、 學(xué)會安裝和調(diào)試分立元件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)。設(shè)計要求1、 設(shè)計要求電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；2、 技術(shù)指標輸出頻率范圍：1

2、00HZ-1KHZ，1KZ-10KHZ;輸出電壓：方波Vp-p24V,三角波Vp-p=6V,正玄波 Vp-p1V;方波tr 小于100nS.摘 要在模擬電子電路中，常常需要各種波形的信號，如正弦波，矩形波，三角波和鋸齒波等，作為測試信號或控制信號等。為了使所采集的信號能夠用于測量、控制、驅(qū)動負載或送入計算機，常常需要將信號進行變換。本課題主要講述有關(guān)波形的發(fā)生，工作原理及主要參數(shù)。信號發(fā)生器是指在沒有外加輸入信號的情況下，依靠電路自激震蕩而產(chǎn)生正弦波，方波，三角波輸出電壓的電路。函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計可以有不同的方案可以先由方波通過積分電路產(chǎn)生正弦波再通過低通濾波電路產(chǎn)生正弦波，還可以通過先產(chǎn)生

3、正弦波通過積分電路產(chǎn)生三角波再通過差分放大電路產(chǎn)生正弦波；盡管各種設(shè)計方法的不同，但所需要產(chǎn)生的結(jié)果都是相同的，本課題的設(shè)計方案是先產(chǎn)生正弦波，再通過整形電路產(chǎn)生將正弦波變成三角波，再由積分電路產(chǎn)生方波。目 錄第1章 簡易信號發(fā)生器的工作原理.41.1正弦波.41.1.1正弦波的形成.41.1.2正弦波發(fā)生器的仿真和調(diào)試.51.2方波.61.2.1方波的形成.61.2.2方波發(fā)生器的仿真和調(diào)試.71.3三角波.81.3.1三角波的形成 .81.3.2三角波發(fā)生器的仿真和調(diào)試.11第二章 函數(shù)發(fā)生器.12 2.1函數(shù)發(fā)生器IC8038的工作原理.12 2.1.1函數(shù)發(fā)生器的IC8038的電路結(jié)構(gòu)

4、.12 2.1.2函數(shù)發(fā)生器的工作原理和性能特點.13 2.2三種波形的形成.13 2.2.1IC8038的接法及波形的輸出.14 2.2.2.集成電路的仿真和調(diào)試.15第3章 數(shù)據(jù)收集.15第4章 實驗總結(jié).16 第一章：簡易信號發(fā)生器的工作原理1：正弦波1.1.1:正弦波的形成正弦波振蕩電路的振蕩條件： 或 AF=1 在上式中，仍設(shè) ，則可得：，即和，N=0,1,2···RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）圖1.1.1為RC橋式正弦波振蕩器。其中RC串、并聯(lián)電路構(gòu)成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡(luò)，R1、R2、RW及二極管等元件構(gòu)成負反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器R

5、W，可以改變負反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管（溫度穩(wěn)定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負半周對稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。電路的振蕩頻率 起振的幅值條件 2 式中RfRWR2（R3 / rD），rD 二極管正向?qū)娮琛Ｕ{(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)RW），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋太強，應(yīng)適當加大Rf。如波形失真嚴重，則應(yīng)適當減小Rf。改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細調(diào)

6、。圖1.1橋式正弦波振蕩器1.1.2正弦波發(fā)生器的仿真和調(diào)試 圖1.2正弦波波形如圖（1.1.2）所示。當電位器R6的百分比?。ㄐ∮?9）時，電路不能震蕩，當電位器R6的百分比至一個合適值時（2933）時，電路能夠震蕩，且輸出波形正常，如圖（1.1.2）所示。繼續(xù)增大電位器R6的百分比（大于33），則輸出的波形失真。2方波1.2.1:方波的形成由集成運放構(gòu)成的方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。圖1.2.1所示為由滯回比較器及簡單RC 積分電路組成的方波三角波發(fā)生器。它的特點是線路簡單，但三角波的線性度較差。主要用于產(chǎn)生方波，或?qū)θ遣ㄒ蟛桓叩膱龊稀ｋ娐氛袷庮l率

7、式中R1R1'RW' R2R2'RW" 方波輸出幅值 Uom±UZ三角波輸出幅值調(diào)節(jié)電位器RW（即改變R2R1），可以改變振蕩頻率，但三角波的幅值也隨之變化。如要互不影響，則可通過改變Rf（或Cf）來實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。圖1.2 1 方波發(fā)生器1.2.2方波發(fā)生器的仿真和調(diào)試打開示波器的窗口，調(diào)節(jié)電位器R5；當電位器R5的百分比為50時，電路輸出波形如圖（1.2.2）所示，當繼續(xù)增大電位器R5的百分比時，在電壓不變的情況下，輸出方波的幅值不會改變。3：三角波1.3.1:三角波的形成(1):工作原理 三角波發(fā)生器的電路，圖1.3.1中集成運放A1組成滯

8、 圖1.3.1 回比較器，A2組成積分電路。滯回比較器的輸出加在積分電路的反相輸入端進行積分，而積分電路的輸出又接到滯回比較器的同相輸入端，控制滯回比較器輸出端的裝條發(fā)生跳變。假設(shè)t=0時積分電容上的初始電壓為零，而圖1.3.2滯回比較器輸出端為高電平，即uo1=+Uz。因集成運放A1同相輸入端的電壓u+同時與uo1和uo有關(guān)，根據(jù)疊加定理可得 此時uo=0，而u01=+Uz，故u+也為高電平。而當uo1=+Uz時，經(jīng)反向積分，輸出電壓uo將睡著時間往負方向線性增長，則u+將隨之逐漸減小，當減小至u+=u-=0時，滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳變，使uo1由+Uz跳變?yōu)?Uz，此時u+也將跳變成為

9、一個負值。當uo1=-Uz時，積分電路的輸出電壓uo將隨著時間往正方向線性增長，u+將隨之逐漸增大，當增大至u+=u-=0時，滯回比較器的輸出端再次發(fā)生跳變，u01由-Uz跳變?yōu)?Uz。以后舒服上述過程，于是滯回比較器的輸出電壓u01成為周而復(fù)始的矩形波，二積分電路的輸出電壓uo也成為周期性重復(fù)的三角波。在uo1=-Uz期間，積分電路的輸出電壓uo往正方向線性增長，此時u+也隨著增長，當增長至u+=u-=0時，滯回比較器的輸出電壓uo1發(fā)生跳變，而發(fā)生跳變時的uo值即是三角波的最大值Uom。將條件uo1=-Uz，u+=0和uo=Uom代入上式，可得 可解得三角波的輸出幅度為在積分電路對uo1=

10、-Uz進行積分的半個振蕩周期內(nèi)，輸出電壓uo由-Uom上升至+Uom，則對積分電路可列出一下表達式： 即 所以三角波的振蕩周期為三角波的輸出幅度與穩(wěn)壓管的Uz以及電阻值之比R1/R2成正比。三角波的振蕩周期則與積分電路的時間常數(shù)R3C以及電阻值之比R1/R2成正比。在實際工作中調(diào)整三角波的輸出幅度和振蕩周期時，在Uz值確定之后，應(yīng)該先調(diào)整電阻R1和R2，使輸出幅度達到規(guī)定值，然后再調(diào)整R3和C使振蕩周期滿足要求。 （2）:元件參數(shù)計算過程和公式：但接通電源時，C上電壓為0。第一暫態(tài)：uo1 up1 uo1，直至uo1=Uz；第二暫態(tài)：積分電路反向積分，t uo，當uo>-UT，uo1從+

11、Uz躍變?yōu)?Uz。積分電路正向積分，t uo，當uo>+UT，uo1從-Uz躍變?yōu)?Uz ，返回第一暫態(tài)。重復(fù)上述過程，產(chǎn)生周期性的變化，即振蕩。 令uo1=uN1=0，當uo1=Uz代入，可得： 所以 (3):選定器件列表：已知：R1=20K R2=20K R3=10K R4=3K R5=15K C=0.1uF Uz=6V由以上已知條件可以求出 圖1.3.2 圖1.3.3 1.3.2：三角波發(fā)生器的仿真和調(diào)試仿真圖如圖所示仿真后的波形圖打開示波器的窗口，調(diào)節(jié)電位器R5和電阻R2的值：調(diào)節(jié)電位器R5的百分比50，當調(diào)節(jié)R2的阻值20千歐不變?？傻玫饺鐖D所示的波形，繼續(xù)增大電位器R5的百分

12、比時則輸出信號的頻率會增大。 第二章：函數(shù)發(fā)生器2:函數(shù)發(fā)生器IC8038的工作原理2.1.1:函數(shù)發(fā)生器的IC8038的電路結(jié)構(gòu)ICL8038管腳圖如圖2.1.1所示 圖2.1.1 函數(shù)發(fā)生器ICL8038內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖2.1.2所示圖2.1.2 ICL8038的接線方法之一如圖2.1.3所示 圖2.1.32.1.2:函數(shù)發(fā)生器的工作原理和性能特點（1）工作原理外接電容C由兩個恒流源充電和放電，振蕩電容C由外部接入，它是由內(nèi)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(zhuǎn)來連續(xù)控制的

13、。當觸發(fā)器的狀態(tài)使恒流源2處于關(guān)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(zhuǎn)，將模擬開關(guān)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(nèi)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(zhuǎn)回到原來的狀態(tài)，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4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

14、過程決定的，所以，觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生方波函數(shù)信號，在芯片內(nèi)部，這兩種函數(shù)信號經(jīng)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(diào)節(jié)的全部范圍。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(diào)節(jié)，從最小到最大，任意選擇調(diào)整，所以，只要調(diào)節(jié)電容器充放電時間不相等，就可獲得鋸齒波等函數(shù)信號。（2）性能特點a、具有在發(fā)生溫度變化時產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過50ppm；b、正弦波輸出具有低于1的失真度；c、三角波輸出具有01高線性度；d、具有0001Hz1MHz的頻率輸出范圍；工作變化周期寬；e、298之間任意可調(diào)；高的電

15、平輸出范圍；f、從TTL電平至28V；g、具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號輸出；h、易于使用，只需要很少的外部條件 2.2.2.:集成電路的仿真和調(diào)試集成后的電路圖如圖2.1.4所示圖2.1.4當正弦波，方波，三角波集成到同一個電路中所得到的波形如圖2.1.5所示圖2.1.5第5章 ：數(shù)據(jù)收集在示波器中，其中的波形幅值分兩種檔位：10×R和1×R。 數(shù)據(jù)波形頻段選擇C=4700PF(f=1k10kHz)C=0.01F(f=1001kHz)檔位 10× 1×正弦波f （頻率）4000 Hz701.8 HzVp-p5V540mVVmax2.44V286

16、mVVmin-2.56V-168V方波f（頻率）4008 Hz699.3 HzVp-p16.8V1.68VVmax9.4V811mVVmin-7.4V-718mV三角 波f（頻率）4000Hz701.8 HzVp-p7.8V800mVVmax4.24V440mVVmin-3.60V-360mV總 結(jié)通過了近一個星期的實習，終于把簡易信號發(fā)生器的課程設(shè)計給弄完了。其實所謂的課程設(shè)計主要還是檢驗我們所掌握的一些理論知識；簡易信號發(fā)生器主要還是運用我們在模擬電子技術(shù)中所學(xué)到的一些知識，無論從波形的產(chǎn)生，還是其工作原理都在我們學(xué)過的模擬電子中有所涉及。但這次的課程設(shè)計所要求的要高于我們課本所學(xué)的。函數(shù)

17、信號發(fā)生器在雖然現(xiàn)實生活中運用也非常的廣泛，但是相對于我們剛開始學(xué)的來說還是有點困難的。在課程設(shè)計的過程中我們也遇到了很多問題，特別是在電路的仿真實驗中經(jīng)常發(fā)生波形的失真以及其他的一些問題，但在經(jīng)過我們團隊的協(xié)作以及大家的一起努力，終于還是克服了各種困難，也得到了我們想要的實驗結(jié)果。實習的時間雖然很短，但也讓我們得到了很好的鍛煉，在我們遇到問題時大家一起去想答案，一起去思考，遇到有什么不懂得，我們團隊開始集體討論，這也鍛煉了我們的團隊意識，我想這也是我們以后生活中所必不可少的。同時我們也學(xué)會如何快速的自學(xué)，當我們從一個還不知道有仿真軟件到學(xué)會如何開始運用仿真軟件，我想這也是我們另一個巨大的收獲吧。參考文獻【1】童詩白 華成英 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第四版 北京 高等教育出版社 2006.5【2】王艷春 電子技術(shù)實驗與Mnltisim仿真 第一版 合肥 合肥工業(yè)大學(xué)出版社 2011.6【3】閻石 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) 第五版 北京 高等教育出版社 2005附錄1)Multisim軟件的簡單介紹 Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。2) Visio軟件的簡單介紹 Microsoft Office