函數(shù)信號發(fā)生器.doc

電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目 函數(shù)信號發(fā)生器 學(xué)院（部） 電子與控制工程學(xué)院 專 業(yè) 電子科學(xué)與技術(shù) 班 級 32050701 學(xué)生姓名 鄭文浩 學(xué) 號 3205070118 指導(dǎo)教師（簽字） 前 言本次電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)是指通過所學(xué)知識(shí)并擴(kuò)展相關(guān)知識(shí)面，設(shè)計(jì)出任務(wù)所要求功能的電路，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的電路仿真，檢測并調(diào)整電路，設(shè)計(jì)功能完整的電路圖。我們所選擇的課設(shè)題目是低頻函數(shù)信號發(fā)生器。在資料收集后，將設(shè)計(jì)過程分為三部分：一是系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)電路的系統(tǒng)思想，設(shè)計(jì)出能滿足電路功能的各個(gè)模塊，畫出系統(tǒng)的框圖。二是針對各個(gè)模塊分別設(shè)計(jì)電路的各個(gè)具體模塊的具體電路，并且分別進(jìn)行仿真和改進(jìn)。三是將所有的模塊綜合在一起，畫出系統(tǒng)總圖，并用multisim軟件進(jìn)行仿真，針對仿真過程中出現(xiàn)的一些問題仔細(xì)檢查，對比各個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選出最佳的方案，修改不完善的部分。最后，對此次課程設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)，反思自己在各個(gè)方面的不足，對設(shè)計(jì)方案中的各個(gè)思想進(jìn)行歸納總結(jié)，比較各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)每種設(shè)計(jì)方案的應(yīng)用領(lǐng)域和使用范圍，為以后得學(xué)習(xí)實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)。最終提高我們的學(xué)習(xí)和動(dòng)手能力。目 錄函數(shù)信號發(fā)生器3第一章函數(shù)信號發(fā)生器系統(tǒng)概述41.1總體設(shè)計(jì)方案論證及選擇41.2函數(shù)發(fā)生器的系統(tǒng)總方案框圖5第二章 模塊劃分及單元電路設(shè)計(jì)分析62.1信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)總框圖62.3 方波三角波轉(zhuǎn)換電路原理圖72.4三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路原理圖82.5數(shù)字顯示輸出信號頻率和電壓幅值92.6對選取的最后方案的綜述：92.7各組成部分的工作原理92.8顯示部分122.9電路的參數(shù)選擇及計(jì)算14第三章 系統(tǒng)綜述、總體電路圖153.1方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路153.2顯示部分電路圖163.3 電路仿真16第四章 結(jié)束語18參考文獻(xiàn)19表一 元器件明細(xì)表20收獲與體會(huì)：21函數(shù)信號發(fā)生器摘要：本實(shí)驗(yàn)中的信號發(fā)生器是根據(jù)自激振蕩原理，使電路在沒有外部激勵(lì)時(shí)也能夠輸出持續(xù)穩(wěn)定的信號波形。通過對信號發(fā)生器設(shè)計(jì)掌握正弦波產(chǎn)生的條件，頻率振幅的調(diào)節(jié)。掌握矩形波產(chǎn)生的原理，占空比的調(diào)節(jié)及頻率、振幅的調(diào)節(jié)。該發(fā)生器能輸出頻率 、振幅可調(diào)的正弦波。頻率、振幅可調(diào)的方波以及三角波。最后利用轉(zhuǎn)化的思想，運(yùn)用F/V變換器芯片LM331將輸出的頻率轉(zhuǎn)化為電壓數(shù)值來顯示，以減少顯示量。顯示部分采用A/D轉(zhuǎn)換器（ICL7135）經(jīng)過一個(gè)五路達(dá)林頓管5G1413S來控制CD4513顯示。 本課題要求輸出波形應(yīng)有： 方波、三角形、正弦波。要完成此方案的方法有許多，既可以使用分立元件（如低頻信號發(fā)生器S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片集成電路函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038）本課題決定采用集成運(yùn)算放大器（MC4558）與晶體管差分放大器組成的方波三角波正弦波函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵字：函數(shù)發(fā)生器 F/V (LM331 ) A/D(ICL7135) 5G1413S CD4513 運(yùn)算放大器（MC4558）設(shè)計(jì)要求：1. 信號頻率范圍1HZ100kHZ；2. 輸出波形應(yīng)有： 方波、三角形、正弦波；3. 輸出信號幅值范圍010V；4. 具有數(shù)字顯示輸出信號頻率和電壓幅值功能。第一章函數(shù)信號發(fā)生器系統(tǒng)概述1.1總體設(shè)計(jì)方案論證及選擇方案一：由RC橋式電路振蕩產(chǎn)生正弦波，再經(jīng)整形積分產(chǎn)生方波和三角波，原理方框見圖1圖一：由RC網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換流程電路圖方案二：用ICL8038集成函數(shù)信號發(fā)生器所需信號。接入外部電路后ICL8038的9、3、2引腳就可分別產(chǎn)生方波、三角波、 正弦波，頻率調(diào)節(jié)部分通過其它的引腳接外電路來完成 .然后從ICL8038出來經(jīng)過選擇開關(guān)選擇所需波形進(jìn)入LM31D8進(jìn)行放大和幅度調(diào)節(jié)，最后從LM31D8出來的波即為頻率和幅度可調(diào)的方波，三角波和正弦波 方案三：采用DDS作為信號發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計(jì)方案，根據(jù)輸出信號波形類型可設(shè)置、輸出信號幅度和頻率可數(shù)控、輸出頻率寬等要求，選用了AD9850芯片，并通過單片機(jī)程序控制和處理AD9850的32位頻率控制字，再經(jīng)放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了信號幅度、頻率、類型以及輸出等選項(xiàng)的全數(shù)字控制。方案四：利用比較器產(chǎn)生方波，后用積分器產(chǎn)生三角波，經(jīng)過擦、差分放大器產(chǎn)生正弦波?？尚行苑治觯涸谝陨纤姆N方案，方案一：用RC橋式電路及整形積分電路構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號難控制，不易調(diào)試，可調(diào)范圍?。环桨付?，應(yīng)用芯片，由運(yùn)放，電位器等組成的多功能函數(shù)信號發(fā)生器，精確度高，但過于復(fù)雜；方案三，知識(shí)所限，復(fù)雜；方案四，產(chǎn)生信號相對簡單。所以選擇第四種方案。 1.2函數(shù)發(fā)生器的系統(tǒng)總方案框圖 信號發(fā)生裝置中間環(huán)節(jié)F/V(LM331)電壓顯示A/D轉(zhuǎn)換圖二：函數(shù)發(fā)生器的系統(tǒng)總方案框圖第二章 模塊劃分及單元電路設(shè)計(jì)分析2.1信號發(fā)生電路設(shè)計(jì)總框圖三個(gè)波形之間的轉(zhuǎn)換有許多方法，考慮到學(xué)習(xí)知識(shí)的程度，以及自身的認(rèn)識(shí)及掌握知識(shí)的程度，我們采用方波三角波正弦波的轉(zhuǎn)化方向。波形的發(fā)生總框圖，如下圖差分放大器積分器比較器圖三：函數(shù)發(fā)生器組成框圖2.2方波發(fā)生電路2.2.1 方案選擇 方案一：本方案是利用遲滯比較器和RC積分延時(shí)電路直接產(chǎn)生方波。它把積分電路的輸出量反饋到遲滯比較器的輸入端，再把遲滯比較器輸出的方波作為積分電路的輸入。利用反饋來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)波形之間的轉(zhuǎn)換，簡單，易行。方案二：本方案是利用555定時(shí)器組成的施密特觸發(fā)器來產(chǎn)生方波，但是前提要求輸入的是一個(gè)三角波，條件比較苛刻，考慮到實(shí)際模擬時(shí)，前級的輸出不一定就是三角波，可能導(dǎo)致輸出的波形不符合要求。綜合考慮：本設(shè)計(jì)采用方案一下圖為產(chǎn)生方波的電路：（其中2為方波的輸入端，4為方波的輸出端，即三角波電路的輸入端）圖四：方波發(fā)生原理電路圖2.3 方波三角波轉(zhuǎn)換電路原理圖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完成。（其中4為圖一方波的輸入端，5為三角波的輸出端）圖五：方波三角波轉(zhuǎn)化電路圖2.4三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路原理圖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，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。（其中2為前級的三角波輸入端，7為正弦波的輸出端） 圖六：正弦波轉(zhuǎn)換電路2.5數(shù)字顯示輸出信號頻率和電壓幅值方案一：可以利用V/F轉(zhuǎn)換，將電壓轉(zhuǎn)換為頻率，然后利用計(jì)數(shù)器原理，對頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，之后，在依據(jù)電壓與頻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系，對電壓值進(jìn)行測量。方案二：可以利用F/V轉(zhuǎn)換器（LM331）將要測量的頻率轉(zhuǎn)換為電壓值，本實(shí)驗(yàn)同時(shí)還要對輸出的電壓幅值進(jìn)行顯示，這樣以減少顯示難度。綜上：在本課題中我們采用方案二。2.6對選取的最后方案的綜述：1方波與三角波電路，采用電壓比較器還有積分電路實(shí)現(xiàn)波形的產(chǎn)生2三角波正弦波電路，采用穩(wěn)定性好，以調(diào)節(jié)的差分放大電路。3顯示電路先利用F/V轉(zhuǎn)換器（LM331）得到模擬量，在利用ICL7135對模擬量進(jìn)行數(shù)字化，并顯示出來。2.7各組成部分的工作原理2.7.1方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的安裝調(diào)試若a點(diǎn)斷開，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)的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為 比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時(shí)，時(shí)，可見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)系下圖所示。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)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+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。2.7.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝調(diào)試三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。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波，由圖可見：（1） 傳輸特性曲線越對稱，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)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來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。圖七：三角波正弦波電路圖2.8顯示部分2.8.1關(guān)于F/V轉(zhuǎn)換理論分析LM331是一種性能價(jià)格比較高的集成芯片，很適合用做A/D轉(zhuǎn)換器，精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器，長時(shí)間積分器，線性頻率調(diào)制或解調(diào)及其他功能電路。LM331使用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路，在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和電源電壓地4.0V時(shí)都有極高的精度。精密定時(shí)電路具有低的偏置電流，而且，100KHz的F/V轉(zhuǎn)換所需要的高速響應(yīng)也沒有退化現(xiàn)象。其中滿量程頻率范圍：1100KkhZ.圖八：F/V轉(zhuǎn)換電路上圖是由LM331F/V轉(zhuǎn)換構(gòu)成的轉(zhuǎn)換電路。其中9為頻率fi的輸入端。其輸出關(guān)系可以表示為：V0=-fi*2.09*RfRtCt/Rs。由上面兩個(gè)關(guān)系式都可以看出，fi正比于V0，滿足F/V轉(zhuǎn)換關(guān)系。電路中，輸入脈沖頻率fi經(jīng)過CR網(wǎng)絡(luò)借到電壓比較器閥值端上，脈沖的下降沿使輸入比較器觸發(fā)定時(shí)電路。與V/F轉(zhuǎn)換電路相同，1腳流出的平均電流I=i（1.1RtCt）fi，將此電流經(jīng)過RC網(wǎng)絡(luò)濾波幾顆得到與fi信號頻率成正比的直流電壓。在圖中，由于運(yùn)算放大器的緩沖作用，實(shí)現(xiàn)了栓雞丁的濾波功能，對于所有高于1KHz的頻率，紋峰值小于5m V,且響應(yīng)時(shí)間按跟快，但對于低頻輸入信號，電路的文峰將會(huì)很差。因此，使用時(shí)需進(jìn)行調(diào)整，一滿足響應(yīng)時(shí)間和足夠小的文峰的需要。2.8.2關(guān)于顯示部分的理論分析：本顯示電路采用集成的芯片ICL7135，外加少量的原件，便可以將輸入的模擬信號變成數(shù)字信號輸出，經(jīng)過一個(gè)五路達(dá)林頓管5G1314S，去驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管。CD4513為BCD七段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器（無效零不顯示），4513的七段輸出每段帶五個(gè)相同段，僅最高位只接b，c段，極性指示由另一個(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)。調(diào)節(jié)RP2，使IC1的震蕩頻率在120KHz左右。2.9電路的參數(shù)選擇及計(jì)算2.9.1.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，我們一開始很長時(shí)間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時(shí)可出來波形）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=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。2.9.2.三角波-正弦波部分當(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)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。第三章 系統(tǒng)綜述、總體電路圖3.1方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波 圖九 方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路3.2顯示部分電路圖圖十：顯示電路3.3 電路仿真3.3.1方波-三角波發(fā)生電路的仿真圖1：方波圖像圖2：三角波圖像圖3：接在雙通道示波器得到的波形圖332 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真圖4正弦波波形圖第四章 結(jié)束語函數(shù)信號發(fā)生器是本次課程設(shè)計(jì)的較難的一個(gè)題目，經(jīng)過十天的團(tuán)隊(duì)合作，我們勉強(qiáng)完成了本課題所需要求。本設(shè)計(jì)最大的特色就是信號發(fā)生流程相對簡單明了，易于理解。但是，它的難度：電路對各元件的參數(shù)選擇要求比較高，調(diào)整波形相對而言不方便。，這些問題僅是受我們自身?xiàng)l件的限制，以及時(shí)間有限，還沒能完美解決。直接數(shù)字頻率合成器也就是DDS卻可以很好解決這個(gè)問題。在過程中嘗試了一下，從理論到實(shí)際操作，雖然還有一段距離，但是，可以肯定，這是一個(gè)很不錯(cuò)的解決方法。參考文獻(xiàn)1林濤數(shù)字電子技術(shù)清華大學(xué)出版社2006年6月（ISBN 978-7-302-12064-3）2林濤模擬電子技術(shù)重慶大學(xué)出版社2004年12月(ISBN 7-5623-2831-X/TN70)3黃志偉全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽北京航天航空大學(xué)出版社2007年2月（ISBN978-7-81077-983-8）4趙文博新型常用集成電路速查手冊人民郵電出版社2006年1月（ISBN7-115-13821-4/TN2578）5王伊娜Multisim8國防工業(yè)出版社2006年6月（IBSN7-11804542-X）6. 楊剛 周群 電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 2005年1月電子工業(yè)出版社（ISBN7-5053-9593-9）7.謝自美 電子線路設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)