簡易信號發(fā)生器

1、 2011 2012 學年 第 二 學期 簡易信號發(fā)生器 課 程 設 計 報 告題 目： 簡易信號發(fā)生器設計（方案一） 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 姓 名：指導教師： 電氣工程系2011年5月12日任務書課題名稱簡易信號發(fā)生器設計指導教師（職稱）江春紅 執(zhí)行時間2011 2012 學年第2 學期 第12 周學生姓名學號承擔任務設計目的1、 掌握信號發(fā)生器的設計方法和測試技術2、 了解單片函數發(fā)生器IC8038的工作原理和應用。3、 學會安裝和調試分立元件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)。設計要求1、 設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波形的發(fā)生，工作原理及主要參數。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生正弦波，方波，三角波輸出電壓的電路。函數信號發(fā)生器的設計可以有不同的方案可以先由方波通過積分電路產生正弦波再通過低通濾波電路產生正弦波，還可以通過先產生

3、正弦波通過積分電路產生三角波再通過差分放大電路產生正弦波；盡管各種設計方法的不同，但所需要產生的結果都是相同的，本課題的設計方案是先產生正弦波，再通過整形電路產生將正弦波變成三角波，再由積分電路產生方波。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)生器的仿真和調試.11第二章 函數發(fā)生器.12 2.1函數發(fā)生器IC8038的工作原理.12 2.1.1函數發(fā)生器的IC8038的電路結構

4、.12 2.1.2函數發(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試.15第3章 數據收集.15第4章 實驗總結.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 ，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)電路構成正反饋支路，同時兼作選頻網絡，R1、R2、RW及二極管等元件構成負反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調節(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 二極管正向導通電阻。調整反饋電阻Rf（調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，應適當加大Rf。如波形失真嚴重，則應適當減小Rf。改變選頻網絡的參數C或 R，即可調節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調節(jié)R作量程內的頻率細調

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。主要用于產生方波，或對三角波要求不高的場合。電路振蕩頻率

7、式中R1R1'RW' R2R2'RW" 方波輸出幅值 Uom±UZ三角波輸出幅值調節(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)生器的仿真和調試打開示波器的窗口，調節(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，根據疊加定理可得 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成為周而復始的矩形波，二積分電路的輸出電壓uo也成為周期性重復的三角波。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，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R3C以及電阻值之比R1/R2成正比。在實際工作中調整三角波的輸出幅度和振蕩周期時，在Uz值確定之后，應該先調整電阻R1和R2，使輸出幅度達到規(guī)定值，然后再調整R3和C使振蕩周期滿足要求。 （2）:元件參數計算過程和公式：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)。重復上述過程，產生周期性的變化，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)生器的仿真和調試仿真圖如圖所示仿真后的波形圖打開示波器的窗口，調節(jié)電位器R5和電阻R2的值：調節(jié)電位器R5的百分比50，當調節(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：函數發(fā)生器2:函數發(fā)生器IC8038的工作原理2.1.1:函數發(fā)生器的IC8038的電路結構ICL8038管腳圖如圖2.1.1所示 圖2.1.1 函數發(fā)生器ICL8038內部結構原理圖如圖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

13、。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)，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種函數信號，假如電容器在充電過程和在放電過程的時間常數相等，而且在電容器充放電時，電容電壓就是三角波函數，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，就能產生方波函數信號，在芯片內部，這兩種函數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可以滿足方波函數等信號在頻率、占空比調節(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)調節(jié)，從最小到最大，任意選擇調整，所以，只要調節(jié)電容器充放電時間不相等，就可獲得鋸齒波等函數信號。（2）性能特點a、具有在發(fā)生溫度變化時產生低的頻率漂移，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；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 ：數據收集在示波器中，其中的波形幅值分兩種檔位：10×R和1×R。 數據波形頻段選擇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)生器的課程設計給弄完了。其實所謂的課程設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中所學到的一些知識，無論從波形的產生，還是其工作原理都在我們學過的模擬電子中有所涉及。但這次的課程設計所要求的要高于我們課本所學的。函數

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的來說還是有點困難的。在課程設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常發(fā)生波形的失真以及其他的一些問題，但在經過我們團隊的協(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。同時我們也學會如何快速的自學，當我們從一個還不知道有仿真軟件到學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 模擬電子技術基礎 第四版 北京 高等教育出版社 2006.5【2】王艷春 電子技術實驗與Mnltisim仿真 第一版 合肥 合肥工業(yè)大學出版社 2011.6【3】閻石 數字電子技術基礎 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為基礎的仿真工具，適用于板級的模擬/數字電路板的設計工作。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