函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)2

1、摘 要函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。本系統(tǒng)以ICL8038集成塊為核心器件，制作一種函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，制作成本較低。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001Hz30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)制信號(hào)輸入端，所以可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器根據(jù)用途不同，有產(chǎn)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(chǎn)生方波、正弦波、三角波的方案有多種，如先產(chǎn)

2、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(guān)系，再通過(guò)整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，經(jīng)過(guò)積分電路后將其變?yōu)槿遣?。也可以先產(chǎn)生三角波-方波，再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。關(guān)鍵詞： ICL8038、波形、原理圖、常用接法目 錄摘要I第一章 緒論1 1.1概述1 1.2 設(shè)計(jì)要求1第二章 方案選擇1第三章 各組成部分的工作原理3 3.1方波發(fā)生電路的工作原理3 3.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理4 3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路7第四章 函數(shù)發(fā)生器的總方案9 4.1電路的參數(shù)選擇及計(jì)算9 4.2 函數(shù)發(fā)生器總設(shè)計(jì)圖10第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果11 5.1 方波波形 11 5.2三角波波形12

3、 5.3正弦波波形13 5.4結(jié)果分析14第六章 電路的安裝與調(diào)試14 6.1靜態(tài)調(diào)試14 6.2動(dòng)態(tài)調(diào)試15第七章 總結(jié)16參考文獻(xiàn)16第一章 緒論1.1 概述 在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號(hào)波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號(hào)波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。1.2 設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)并能產(chǎn)生方波、三角波、正弦波等多種波形的函數(shù)發(fā)生器。具體要求如下：輸出波形工作頻率為2Hz-20kHz，并且輸出波形的

4、頻率連續(xù)可調(diào)：（1）正弦波幅值10V或-10V，失真度小于1.5%；（2）方波幅度10V或-10V；（3）三角波峰峰值20V，輸出波形幅值連續(xù)可調(diào)。第二章 方案選擇1 采用集成片ICL8038做函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 圖一 ICL8038原理圖ICL8038是一種集成度很高的芯片,只需要外加少量調(diào)整電路即可以獲得完美的方波-三角波-正弦波的波形。2 采用振蕩電路獲得正弦波，再由比較器獲得方波,最后通過(guò)積分電路獲得三角波。 圖二 函數(shù)發(fā)生器原理一 3 采用比較器和積分器分別獲得方波和三角波,再用晶體三極管組成的差分放大電路做三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換。波形變換的原理是利用差分放大傳輸特性的非線性,傳輸特性曲線

5、越對(duì)稱(chēng),并且線性區(qū)間越窄越好。三角波的幅值應(yīng)該接近晶體管的截止電壓值。圖三 函數(shù)發(fā)生器原理二框圖以上的三種方案,其中方案一十分的簡(jiǎn)單,只需要購(gòu)買(mǎi)一片ICL8038和少量電阻和電容即可.方案二和方案三,有一個(gè)共同之處是都需要搭建波形變換電路.理論上說(shuō),都是簡(jiǎn)單可行的。方案二是使用RC橋式正弦波振蕩器作為整個(gè)電路的基礎(chǔ),考慮到正弦振蕩電路的穩(wěn)定性, 考慮到ICL8038的市價(jià)比較便宜，因此選擇方案一做為最終的方案。第三章 各組成部分的工作原理3.1 方波發(fā)生電路的工作原理 圖四 方波三角波產(chǎn)生電路此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)

6、現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電。如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原

7、理 圖五 遲滯比較器電壓傳輸特性圖六 三角波發(fā)生器的工作波形工作原理如下：若a點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱(chēng)為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門(mén)限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門(mén)限電

8、位Uia+為 比較器的門(mén)限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖五所示。（1） a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時(shí)，時(shí)，可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系圖六所示。（2）a點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)

9、等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路圖七 三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)完成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，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦

10、波，由圖可見(jiàn)：（1） 傳輸特性曲線越對(duì)稱(chēng)，線性區(qū)越窄越好；（2） 三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3） 圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對(duì)稱(chēng)性，其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。圖八 正弦波發(fā)生器的工作波形第四章 函數(shù)發(fā)生器的總方案4.1電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1.方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實(shí)物連線中，我們一開(kāi)始很長(zhǎng)時(shí)間出不來(lái)波形，后來(lái)將C2從10uf（理論時(shí)可出來(lái)波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=

11、10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2.三角-正弦波部分計(jì)算比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。即取 ，則，取 ，RP1為47K的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(dāng)時(shí)，取，則，取，為100K電位器。當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。三角波>正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RP

12、4及電阻R確定。 4.2函數(shù)發(fā)生器總設(shè)計(jì)圖圖九 函數(shù)發(fā)生器總設(shè)計(jì)圖第五章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1方波波形上圖所示為開(kāi)關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f208Hz，V22V。上圖所示為開(kāi)關(guān)打到C1=0.01uF時(shí)的情況，此時(shí)f1923Hz，Vp-p22V。5.2三角波波形上圖所示為開(kāi)關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f200Hz，V6V上圖所示為開(kāi)關(guān)打到C1=0.01uF時(shí)的情況，此時(shí)f1923Hz，Vp-p6.3V。5.3正弦波波形上圖所示為開(kāi)關(guān)打到C2=0.1uF時(shí)的情況，此時(shí)f214Hz，V1.2V。上圖所示為開(kāi)關(guān)打到C1=0.01uF時(shí)的情況，此時(shí)f2000Hz，Vp-p1V。5.4 結(jié)果

13、分析由仿真結(jié)果可知：只要通過(guò)控制單刀雙擲開(kāi)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，而且可以看出當(dāng)RP2在調(diào)好后基本不變時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)打到C1輸出波形的頻率大體上是開(kāi)關(guān)打到C2時(shí)的10倍，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)電路的預(yù)期效果。同時(shí)也可以看出在頻率.幅值.波形穩(wěn)定度等方面都產(chǎn)生了一定的誤差。第六章 電路的安裝與調(diào)試6.1 靜態(tài)調(diào)試 整個(gè)電路連接完之后，就可以對(duì)該電路進(jìn)行調(diào)試和檢測(cè)了，以發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)方案的不足之處。在進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試之前，首先要對(duì)電路進(jìn)行檢查。對(duì)照原理圖按順序一一檢查，以免產(chǎn)生遺漏。以元件作為中心進(jìn)行檢查，把每個(gè)元器件的引腳依次檢查，看是否有接錯(cuò)線或者漏接等問(wèn)題，為了防止出現(xiàn)錯(cuò)誤，最好對(duì)已經(jīng)檢查好的線路在原

14、理圖上做好標(biāo)記，倘若線路檢查無(wú)誤，則可以對(duì)線路進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試了。 用萬(wàn)用表適當(dāng)?shù)臋n位對(duì)線路進(jìn)行測(cè)試，看線路是否有短路或者斷路等問(wèn)題，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，就立即進(jìn)行改進(jìn)，修改再進(jìn)行調(diào)試。6.2 動(dòng)態(tài)調(diào)試6.2.1 方波三角波發(fā)生器的調(diào)試由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波和正弦波，所以這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)安裝。但是需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則會(huì)導(dǎo)致電路不起振。如果電路接線正確。則在接通電源后，A1輸出為方波，A2輸出為三角波，微調(diào)RP1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。6.2.2 三角波正弦波變換的

15、調(diào)試 （1）差分放大器傳輸傳輸特性曲線調(diào)試。將C4與RP3的連線斷開(kāi)，經(jīng)電容C4輸入差模信號(hào)電壓uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R，使傳輸特性曲線對(duì)稱(chēng)。再逐漸增大uid，直到傳輸特曲線形狀如圖3-6所示，記下此時(shí)對(duì)應(yīng)的uid，即uidm值。移去信號(hào)源，再將C4左端接地，測(cè)量差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。 （2）三角波-正弦波變換電路的調(diào)試。將RP3與C4連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經(jīng)由RP3 后輸出等于uidm值，這時(shí)U03的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C6大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖6-2-2所示的幾種正

16、弦波失真，則應(yīng)調(diào)整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的相應(yīng)措施有：鐘形失真如圖6-2-2（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小RE2。半波圓頂或平頂失真如圖6-2-2（b）如示，傳輸特性曲線對(duì)稱(chēng)性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R。非線性失真如圖圖6-2-2（c）所示，三角波的線性度較差引起的失真，主要受運(yùn)放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)（如C6=100pF）改善輸出波形。圖6-2-2 幾種正弦波失真6.3 誤差分析1. 方波輸出電壓Vp-p2Vcc，因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)是由NPN型或PNP型兩種晶體管組成的復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與飽和導(dǎo)通，導(dǎo)通時(shí)輸出電阻的影響，使方

17、波輸出幅度小于電源電壓值。2. 方波的上升時(shí)間Tr，主要受到運(yùn)放轉(zhuǎn)換速度的限制。如果輸出頻率比較高，則可以接入加速器電容C（C一般為幾十皮法）?？梢杂檬静ㄆ鳎ɑ蛘呙}沖示波器）測(cè)量Tr。第七章 總結(jié)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們遇到了不少的問(wèn)題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問(wèn)題。我也發(fā)現(xiàn)自己并不能夠熟練的使用自己所學(xué)到的模電知識(shí)。再有后的學(xué)習(xí)中,我要加強(qiáng)自己對(duì)電路的設(shè)計(jì)和使用的能力。但是由于這次課程設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)電路很簡(jiǎn)單,并且有章可循,在各種資料的指引下,我們完成起來(lái)并不是很難。課程設(shè)計(jì)只是我們以后從事技術(shù)工作的一個(gè)縮影,通過(guò)這種訓(xùn)練,可以提高我們動(dòng)手設(shè)計(jì)電路的能力,能夠讓我們更好的組織實(shí)驗(yàn)。培養(yǎng)分析問(wèn)題,解決問(wèn)題的能力，也為我們以后的畢業(yè)設(shè)計(jì)和電子工作打下了基礎(chǔ)。通過(guò)這次對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì),更加讓我明白了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，明白了動(dòng)手實(shí)踐的重要性。因?yàn)槔碚撆c實(shí)際畢竟有一定的距離，同時(shí)這次設(shè)計(jì)加深了我對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解。由于這