電子設(shè)計大賽設(shè)計報告函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計

1、設(shè)計報告題目：函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計作者： 指導(dǎo)老師： 摘要：該函數(shù)信號發(fā)生器由波形產(chǎn)生、頻率幅度調(diào)節(jié)和信號放大等電路組成。由icl8038c自身內(nèi)部的自激振蕩器產(chǎn)生方波和三角波信號，再將三角波變換為正弦波。a741作為跟隨器電路具有的高輸入阻抗低輸出阻抗的特點，進行緩沖、隔離，將前后電路較好的聯(lián)系起來。tda2030a對信號進行放大，提高負載能力。頻率由換檔開關(guān)和微調(diào)開關(guān)實現(xiàn)100hz1khz連續(xù)可調(diào)，幅度由緩當(dāng)開關(guān)和微調(diào)開關(guān)實現(xiàn)05v連續(xù)可調(diào)，擴大了頻率和幅度的范圍。經(jīng)過調(diào)試，較好地實現(xiàn)了要求的各項要求。關(guān)鍵詞：icl8038c a741跟隨器 tda2030a function signal

2、 generatorsabstract: this function signal generating device has, frequency electric circuits and so on amplitude adjustment and signal enlargement by the profile is composed.has the square-wave and the triangular wave signal by the icl8038c own internal self-excited oscillator, again the triangular

3、wave transformation is the sine wave.a741 high input impedance low output impedance characteristic which has as the follower electric circuit, carries on the cushion, the isolation, around electric circuit good relation. tda2030a carries on the enlargement to the signal, sharpens the load capacity.t

4、he frequency by shifts gears the switch and the trimming switch realizes 100hz1khz continuously adjustable, scope by slow when the switch and the trimming switch realizes 05v continuously adjustable, expanded the frequency and the scope scope.after the debugging, has realized request each request we

5、ll.目 錄1、系統(tǒng)設(shè)計 4 1.1 設(shè)計要求4 1.1.1 任務(wù)4 1.1.2 要求4 1.1.3 說明4 1.2 總體設(shè)計方案4 1.2.1 設(shè)計思路4 1.2.2 方案論證與比較4 1.2.3 系統(tǒng)組成52、單元硬件電路設(shè)計 5 2.1 信號產(chǎn)生部分的設(shè)計6 2.2 波形調(diào)節(jié)的設(shè)計8 2.2.1 幅度調(diào)節(jié)8 2.2.2 頻率調(diào)節(jié)8 2.2.3 波形切換的設(shè)計9 2.3 隔離緩沖設(shè)計9 2.4 放大電路的設(shè)計9 2.5 輸出和保護電路的設(shè)計93、 系統(tǒng)測試9 3.1 測量電源直流電壓9 3.2 調(diào)整波形10 3.3 調(diào)試幅度衰減10 3.4 驗證短路保護功能104、 結(jié)論11附錄1 主要元

6、器件清單12附錄2 參考文獻 13附錄3 原理圖141.系統(tǒng)設(shè)計1.1設(shè)計要求1.1.1任務(wù)設(shè)計并制作一臺函數(shù)信號發(fā)生器1.1.2要求(1) 基本要求a.能產(chǎn)生方波、正弦波、鋸齒波、三角波等多種形；b.波形無明顯失真；c.頻率范圍：10hz10khz；d.幅度范圍：0-5v。(2)發(fā)揮部分能設(shè)置信號的頻率、幅度，擴大信號的頻率和幅度的范圍。1.2總體設(shè)計方案：1.2.1 設(shè)計思路該信號發(fā)生器分為波形產(chǎn)生和波形輸出，中間通過各級元器件對頻率和幅度進行調(diào)節(jié)，再經(jīng)放大最后通過輸出電路輸出。其電路波形產(chǎn)生幅度調(diào)節(jié) 頻率調(diào)節(jié)波形調(diào)節(jié)放大輸出圖1.2.1 波形發(fā)生的框圖1.2.2 方案論證與比較方案一 以

7、單片機為核心。實現(xiàn)框圖如圖1.2.1所示：ram數(shù)模轉(zhuǎn)換低通濾波地址計數(shù)器時鐘單片機波形數(shù)據(jù)波形輸出 圖1.2.1單片機核心組成框圖其原理是建立在不同的相位給出不同的電壓幅度的基礎(chǔ)上，在一個周期內(nèi)給出按一定電壓幅度變化規(guī)律組成的波形。方案二 以icl8038c為核心。其原理是ic內(nèi)部的自振蕩器產(chǎn)生方波和三角波，波形變換電路把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。方案三 以 fpga為控制器件，控制dds芯片產(chǎn)生信號，但是價格比較昂貴。方案選擇 本系統(tǒng)可采用單片機和icl8038c，dds三種方案。比較三種方案，在實現(xiàn)同樣的基本功能，還有發(fā)揮部分的情況下，icl8038c具有性能價格比高，使用簡單等優(yōu)點。所以本設(shè)

8、計采用icl8038c方案。1.2.3 系統(tǒng)組成 信號發(fā)生器分為波形產(chǎn)生和輸出，通過方案分析，系統(tǒng)組成的框圖如圖1.2.3所示。其中由icl8038c產(chǎn)生正弦波、方波和三角波。波的幅度由幅度電位器及幅度控制換檔開關(guān)進行調(diào)節(jié)，頻率的調(diào)節(jié)由頻率調(diào)節(jié)電位器及三個不同容量的電容切換來實現(xiàn)。由a741對信號進行緩沖、隔離。信號的放大是通過tda2030a來實現(xiàn)。最后由t形電阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對電路的保護和信號輸出。調(diào)頻電位器icl8038c波形產(chǎn)生調(diào)頻電容幅度調(diào)節(jié)調(diào)幅電位器a741緩沖隔離幅度控制換擋開關(guān)tda2030a 放大t形電阻網(wǎng)絡(luò)輸出圖1.2.3 信號發(fā)生器的電路框圖2.單元硬件電路設(shè)計2.1信號產(chǎn)生部

9、分的設(shè)計icl8038 是一塊單片多種信號波形發(fā)生器ic，它內(nèi)部的自振蕩器產(chǎn)生方波和三角波，波形變換電路把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波，是一種性能價格比很高的多功能波形發(fā)生器ic，圖1.2.2是該集成電路的引腳圖：1 142 133 124 115 106 97 8icl8038c空空正弦波線形度調(diào)節(jié)vss或gnd外界電容方波輸出頻率調(diào)制正弦波線形度調(diào)節(jié)正弦波輸出三角波輸出恒流源調(diào)節(jié)1恒流源調(diào)節(jié)2vcc調(diào)頻偏置電壓圖1.2.2 icl8038c的引腳封裝形式當(dāng)接通電源、電路起振后，調(diào)整調(diào)頻電位器使（vccvs）發(fā)生變化，通過計算，（vccvs能在0.45465v之間變化（按照原理圖所注明的數(shù)值，vcc=

10、15v）從而可以根據(jù)=3(vccv)/(2rcvcc)計算出頻率范圍。式中r=r3=r4=4.7k，c=c2=10000f，則頻率變化范圍為967.2hz10.6hz。r3和r4阻值相等，使正弦波信號對稱；rp3和rp4用來調(diào)整正弦波的波形，當(dāng)ic1的12腳和1腳電位v12=0.4vcc，v1=0.6vcc時，可以得到較理想的正弦波。icl8038c 腳的輸出的信號經(jīng)c3耦合，通過調(diào)幅電位器調(diào)節(jié)幅度（rp2同時作icl8038c的負載）后輸出至下一級。icl8038c由開關(guān)sw1、恒流源i1、恒流源i2、比較器1、比較器2、觸發(fā)器、緩沖器、三角波/正弦波變換器和外接電容ct等組成（如圖2.1.

11、1所示）。其工作原理見圖2.1.2的icl8038時間圖。icl8038的基本應(yīng)用電路示于圖2.1.3。圖2.1.1 icl的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2vs/3vs/3i1對ct充電i2對ct放電t11t2vs/3圖2.2.2 icl8038的時間圖 圖2.1.3 使用icl8038的基本電路圖2.1.3中的icl8038的2端產(chǎn)生正弦波的頻率是有恒流源i1對外接電容ct的充電時間t1和恒流源i2對外接電容ct的放電時間t2決定的。恒流源i1對外接電容ct充電，單位時間內(nèi)電壓的增量為：dv=（i1/ct）dt (1)電容ct上電壓從vs/3增至2vs/3的時間為： t1=vsct/3it (2)恒流源對ct

12、的放電時間為： t2=vsgt/3（i1 = i2） (3)由于圖3中icl8038的7端和8端短接，因此，電路中ra上電流對于沖電電流i1為： i1=r1vs/(r1+r2)ra (4)其中：r1=11k，r2=39k是icl8038的內(nèi)阻。將(4)式代入(2)式得恒流源i1對外接電容ct的充電時間為： t1=ctvs/(r1-r2)ra=1.5ract (5)須使電容ct上的充放電電流相等。由圖1可知，恒流源i2中的電流等于充電電流和放電電流之和，即相當(dāng)于2倍rb上的電流。因此恒流源i2對ct的放電電流為： i2=2r1vs/(r1+r2)rs (6)將（4）、（6）式代入（3）式得恒流源

13、i2對cr的放電時間為： t2=1.5rarbct/(2ra-rb) (7)icl8038產(chǎn)生的正弦波頻率為： =1/(t1+t2) (8)將(5)、(7)式代入(8)式，且取ra=rb=r，得： =0.33/(rct) (9)2.2 波形調(diào)節(jié)的設(shè)計2.2.1 幅度調(diào)節(jié)幅度調(diào)節(jié)分為微調(diào)和換檔兩部分。通過開關(guān)7、8和9的通斷來實現(xiàn)幅度檔位的切換：接通衰減開關(guān)8、9，信號通過r7和r8實現(xiàn)約10倍的衰減r8/(r7+r8),即實現(xiàn)幅度為20db的衰減；若斷開開關(guān)8、9，接通開關(guān)7，則信號直接流向下一級，不作任何衰減。微調(diào)通過改變rp2的阻值來實現(xiàn)。2.2.2 頻率調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)也分為微調(diào)和換檔兩部分

14、。換檔頻率調(diào)節(jié)通過改變外接電容c2的容量來實現(xiàn)：在rs、r4和電源電壓不變的情況下，改變c2的大小可以改變輸出信號的頻率范圍，根據(jù)表2.1.2選用電容c2，可以得到不同的頻率范圍，通過開關(guān)1、2、3實現(xiàn)不同檔次間的切換。在不同的檔次下，再對頻率進行微調(diào)。微調(diào)通過調(diào)節(jié)電位器rp1來實現(xiàn)。表2.1.2 c2的取值與輸出信號頻率的關(guān)系電容c2的容量/f對應(yīng)的頻率范圍/khz對應(yīng)開關(guān)0.10.1110.0111020.0011010032.2.3 波形切換的設(shè)計 通過波形開關(guān)實現(xiàn)正弦波、方波和三角波之間的切換。2.3 隔離緩沖設(shè)計 由a741進行緩沖、隔離。利用運放a741組成的跟隨器具有的高輸入阻抗

15、、低輸出阻抗的特點，將前后電路較好的聯(lián)系起來。2.4 放大電路的設(shè)計電路采用tda2030a對信號進行放大，可以提高負載能力。另外tda2030a還具有過熱保護及短路保護功能。tda2030a接成一個同相放大電路，放大倍數(shù)取決于r11和r10的值。2.5 輸出和保護電路的設(shè)計r12，r13和r14三個電阻組成t形網(wǎng)絡(luò)，可以有效防止輸出端短路而造成的損壞，從原理圖中不難看出，即使不小心將輸出端短路，由于t形網(wǎng)絡(luò)的存在，也可以避免使tda2030a輸出端(腳)對地短路，此時tda2030a仍能正常工作，起到保護作用，該t形電阻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置，不會降低信號發(fā)生器的負載能力，其特性阻抗可以按下式計算：z=

16、(z0 z)1/2。其中，z0=r12+r13/r14，z=r12+r13，通過計算，特性阻抗z約為56.3。3.系統(tǒng)測試3.1 測量電源直流電壓 測量15v，確保無誤，插上集成塊，裝好連接線（如圖3.1.1所示）。用示波器觀察波形發(fā)生的相應(yīng)變化，通過示波器讀出幅度和頻率的范圍。 +15v直流電源 gnd15v +15vgnd 信號發(fā)生器 波形輸出 -15v示 波 器 輸入圖3.1.1 測試線路連接示意圖3.2 調(diào)整波形用萬用電表測量icl8038c的1腳和12腳的電位，調(diào)整rp3和rp4，使1腳和12腳的電位分別為9.02v和6.20v時波形為最好。表3.2.1示出了集成塊各引腳的電位(注：

17、icl8038c的8腳電位是隨rp1的調(diào)節(jié)而改變的)。 表3.2.1 實測集成塊各引腳電位 單位v管腳1234567891011121314icl8038c9.07.77.612.612.615.211.710.214.87.57.606.100tda2030a0014.9015.23.3 調(diào)試幅度衰減斷開開關(guān)7，同時接通開關(guān)8和9，衰減電路接通，波形衰減后約為衰減前的1/10。3.4 驗證短路保護功能將輸出端短路后，用示波器仍能在tda2030a的4腳測量到波形，短路去除后，輸出端波形輸出正常。4.結(jié)論本設(shè)計分為波形產(chǎn)生和信號輸出兩部分，前后通過a741很好的連接起來，并起到緩沖和隔離的目的

18、。信號由icl8038c產(chǎn)生，該ic性能價格比高能產(chǎn)生多種波形。通過tda2030a對信號進行放大，提高負載能力并具有過熱保護及短路保護功能。t形電阻網(wǎng)絡(luò)在不降低信號負載能力的情況下，對電路進行保護。調(diào)試結(jié)果證明各項改善措施效果明顯，發(fā)生器各項指標(biāo)基本實現(xiàn)設(shè)計要求，并有一定的發(fā)揮。完成情況見表4.1.1。表4.1.1 系統(tǒng)完成情況序 號具體要求實現(xiàn)情況a基本要求能產(chǎn)生方波、正弦波、鋸齒波、三角波等多種形該函數(shù)信號發(fā)生器可以產(chǎn)生正弦波、方波和三角波基本實現(xiàn)要求b波形無明顯失真實現(xiàn)c頻率范圍：10hz10khz實現(xiàn)，最高頻率可為100khzd幅度范圍：05v實現(xiàn)，幅度最大值為5.3ve發(fā)揮部分能設(shè)

19、置信號的頻率、幅度，擴大信號的頻率和幅度的范圍。較好地實現(xiàn)。在電路中通過頻率換檔開關(guān)實現(xiàn)頻率從10hz到100khz的頻率調(diào)節(jié)；通過幅度換檔開關(guān)實現(xiàn)幅度00.5v連續(xù)可調(diào)及05v連續(xù)可調(diào)附錄 元件清單序號型號名稱封裝備注10.001fc2.2rad0.1頻率換檔電容20.01fc2.1rad0.130.1fc1rad0.140.1fc2.0rad0.151kr1axial0.463.3kr10axial0.474.7kr3axial0.684.7kr4axial0.695.1kr8axial0.41010kr5axial0.61110kr16axial0.61210kr6axial0.61322fc5rb.2/.41422