正弦波-方波-三角波信號發(fā)生器設(shè)計

1、蘇州科技學(xué)院天平學(xué)院模擬電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書課設(shè)名稱正弦波-方波-三角波信號發(fā)生器設(shè)計組長李為學(xué)號12321061為組員謝淵博學(xué)號1232106102組員張翔學(xué)號1232106104專 業(yè)電子物聯(lián)網(wǎng)指導(dǎo)教師二0一二年七月模擬電子技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書一 設(shè)計課題名稱正弦波方波三角波信號發(fā)生器設(shè)計二 課程設(shè)計目的、要求與技術(shù)指標(biāo)2.1 課程設(shè)計目的（ 1） 鞏固所學(xué)的相關(guān)理論知識；（ 2） 實踐所掌握的電子制作技能；（ 3） 會運用EDA 工具對所作出的理論設(shè)計進行模擬仿真測試 ,進一步完善理論設(shè)計；（ 4） 通過查閱手冊和文獻資料,熟悉常用電子器件的類型和特性 ,并掌握合理選用元器件的原則；（

2、5） 掌握模擬電路的安裝測量與調(diào)試的基本技能,熟悉電子儀器的正確使用方法,能力分析實驗中出現(xiàn)的正?；虿徽，F(xiàn)象（或數(shù)據(jù)）獨立解決調(diào)試中所發(fā)生的問題；（ 6） 學(xué)會撰寫課程設(shè)計報告；（ 7） 培養(yǎng)實事求是 , 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和嚴(yán)肅的工作作風(fēng)；（ 8） 完成一個實際的電子產(chǎn)品，提高分析問題、解決問題的能力。2.2 課程設(shè)計要求（ 1） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實驗室條件設(shè)計出電路圖，分析工作原理，計算元件參數(shù)；（ 2） 列出所有元器件清單；（ 3） 安裝調(diào)試所設(shè)計的電路，達(dá)到設(shè)計要求；2.3 技術(shù)指標(biāo)（ 1） 輸出波形：方波三角波正弦波；（ 2） 頻率范圍： 100HZ200HZ 連續(xù)可調(diào)；(3)輸出電

3、壓：正弦波-方波的輸出信號幅值為6V.三角波輸出信號幅值為02V連續(xù)可調(diào);( 4) 正弦波失真度： 5% 。三 系統(tǒng)知識介紹3 函數(shù)發(fā)生器原理本設(shè)計要求產(chǎn)生三種不同的波形分別為正弦波方波 三角波 。實現(xiàn)該要求有多種方案。方案一：首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波。方案二：首先產(chǎn)生方波三角波，再將方波變成正弦波或?qū)⑷遣ㄗ兂烧也ā?.1 函數(shù)發(fā)生器的各方案比較我選的是第一個方案， 上述兩個方案均可以產(chǎn)生三種波形。 方案二的電路過多連接部方便而且這樣用了很多元器件， 但是方案的在調(diào)節(jié)的時候比較方便可以很快的調(diào)節(jié)出波形。 方案一電路簡潔利于連接可以節(jié)省

4、元器件， 但是在調(diào)節(jié)波形的時候會比較費力， 由于整個電路時一起的只要調(diào)節(jié)前面部分就會影響后面的波形。四 電路方案與系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)計4.1 基于集成運算放大器與晶體管差分放大器的函數(shù)發(fā)生器4.1.1 設(shè)計思路我們組總體設(shè)計思路為：先通過比較器產(chǎn)生方波，方波通過積分器產(chǎn)生三角波，三角波通過差分放大器產(chǎn)生正弦波。函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如下所示由比較器和積分器組成方波一三角波產(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。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率 很低的三角

5、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。4.1.2 工作原理4.1.2.1 方波產(chǎn)生電路原理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RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時刻輸出電壓Uo=+Uz則同相輸入端電位Up=+UT Uo通過R1對電容C1正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時，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Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R1對電容C1反向充電，如 圖中虛線箭頭所示。Un隨時

6、間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時，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,電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。4.1.2.2 方波一一三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理08R6 W. 10k'200% Ke片A4.1.2.3正弦波方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理80% VCC卜 C3100nF 100nF4.1.3 元器件與參數(shù)設(shè)計1、從電路的設(shè)計過程來看電路分為三部分：方波部分三角波部分三角波部分正弦波部2、方波部分與三角波部分參數(shù)的確定4R4 (R4 Rp2)CR3 Rp11；，可見f與c成反比，若要得到100H

7、z200Hz,C為0.1 F。3.正弦波-方波部分比較器 A1 與積分器 A2的元件計算如下：Uo2m R一Vcc , R/(R3+RP)=U02m/Vcc=6/12=1/2; R3 RPR2 10K，則(R3+RP)=20K Q ,取 R=10KQ ,RP1為 47KQ的電位器，取平衡電阻R1=R2/(R3+RP1)=7KQ ,由式 f R3 RP，即 R4 RP R3 RP 。當(dāng) 100Hz<f<200HZ 4R2(R4 RP2)C24R2 C2時，取 G=0.1uf , R4 RP2 (757.5)k ,取平衡電阻 R5 (R4 Rp2) 10k 。v三角鼻、方波，R3 Rp

8、1由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為2V, 6V,有2=-R6R=1/3R3 Rp1R3 Rp1取 R2=20KQ, Rp1=47 k , R3=20K三角波一>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，因為輸出頻率很低，取C3 C4 C5 470 F ,濾波電容C6視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，C6可取得較小，C6一般為幾十皮法至0.1微法。ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器有兩種工作方式，即輸出函數(shù)信號的頻率調(diào)節(jié)電壓可以由內(nèi)部供給，也可以由外部供給。圖3為幾種由內(nèi)部供給偏置電壓調(diào)節(jié)的接線圖4 54I口勵犯 tO HI圖3 ICL8038典型應(yīng)用在以

9、上應(yīng)用中，由于第7腳頻率調(diào)節(jié)電壓偏置一定，所以函數(shù)信號的頻率和占空比由RA、B和C決定，其頻率為F,周期T, ti為振蕩電容充電時間，t2為放電時間。T= ti + t2f = 1/T由于三角函數(shù)信號在電容充電時，電容電壓上升到比較器規(guī)定輸入電壓的1/3倍，分得的時間為t1=CV/I=(C+1/3 Vcc - R A)/(1/5 - Vcc)=5/3RA - C在電容放電時，電壓降到比較器輸入電壓的1/3時，分得的時間為t2=CV/1 = (C+ 1/3 VCC)/ (2/5 - VCcRb- 1/5 - Vcc/RA)=(3/5 RA*R- C) / (2RA- R)f = 1/ (t1 +

10、 t2)=3/ 5RAC 1 + RR/ (2RAR) 對圖3(a)中，如果R= R,就可以獲得占空比為50%的方波信號。其頻率f=3/ (10RAC) 4.2.3.1正弦函數(shù)信號的失真度調(diào)節(jié)由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波是由三角波經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度而設(shè)置的。圖4為一個調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度的典型應(yīng)用，其中第1腳調(diào)節(jié)振蕩電容充電時間過程中的非線性逼近點，第12腳調(diào)節(jié)振蕩電容在放電時間過程中的非線性逼近點，在實際應(yīng)用中，兩只100K的電位器應(yīng)選擇多圈精度電位器，反復(fù)調(diào)節(jié)，可以達(dá)到很好的效果。? CL901& 3 /圖4

11、正弦波失真度調(diào)節(jié)電路4.1.4仿真結(jié)果與分析(1)正弦波-方波轉(zhuǎn)換電路的仿真(2)方波-三角波發(fā)生電路的仿真號 Oscilloscope-CSCl(3)總電路的仿真Oreille scope-XSC1nlaTimeCliannel_AC-hannel_BClunnel_CChannel_D1.92-E a-1 2t7 V310 V4.57&V乎.1.975 s-3.401 V-5,J3& V2.S27 VT2-T1M OM mi3 ita vCKSFE mV-1.7W VTine鋁Su le |E ir三 y. posrtion | 3 yTb a+bJwranrASea.A日

12、T曬h網(wǎng)* | J-18廣Y p*iit*r -0.4L4那|0| VAC| 0 |DC- - |(宣 s r5iigJ her. | AutgNoni4.1.5器件清單表元器件名稱個數(shù)型號主要參數(shù)集成運放1LM358集成芯片1ICL8038可調(diào)電阻220k,100k電阻8R22k,1k,62k,10k,0.1k電容4C470nF,10nF直流穩(wěn)壓電源1± 12V, ±5V4.2 ICL8038元器件的函數(shù)發(fā)生器ICL8038 是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需調(diào)整個別的外部組件就能產(chǎn)生從0.001HZ300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波

13、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)頻信號輸入端，所以可以用來對 低頻信號進行頻率調(diào)制。icl8038中文資料 ICL 8038 的主要特點：(1)可同時輸出任意的三角波、矩形波和正弦波等。(2) 頻率范圍：0.001HZ 300kHz(3)占空比范圍：2%98%(4)低失真正弦波:1%低溫度漂移：50ppm/ C(6)三角波輸出線性度：0.1%(7) 工作電源：石V ±12V 或者+ 12V + 25V正弦波線性詞節(jié)一 正弦波輸出一 二角波輸出一 恒流源調(diào)節(jié)一 恒流源調(diào)節(jié)正電源V S 一 4 5V 5基1隹一1730381142.1331241151069

14、78-NC-NC正弦波線性調(diào)節(jié)負(fù)電源或接地 一Vs電位方波輸出一調(diào)頻控制輸入端圖 1 ICL8038的引腳功能排列圖CURRENT SOURCE #1cuftftthrrSOURCE#2o U+&-oV- OR GNO 1t圖2 ICL8038內(nèi)部電路方框圖由圖2可知，該芯片由三角波振蕩電路、比較器1、比較器2、觸發(fā)器、三角波一正弦波 變換電路、恒流源CS1、CS2等組成。恒流源CS1、CS2主要用于對外接電容C進行充電放電,可利用4、5腳外接電阻調(diào) 整恒流源的電流，以改變電容C的充放電時間常數(shù)，從而改變10腳三角波的頻率。兩個比較 器分別被內(nèi)部基準(zhǔn)電壓設(shè)定在 2 3V s與1 3V

15、s。使兩個比較器必須在大于 2 3V s或小于 1 3Vs的范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)。其輸出同時控制觸發(fā)器，使其一方面控制恒流源CS2的通斷，另一方 面輸出方波經(jīng)集電極開路緩沖器，由9腳輸出方脈沖，而10腳經(jīng)緩沖器直接由3腳輸出三 角波，另外還經(jīng)三角波一正弦波變換電路由2腳輸出低失真正弦波。外接電容C由兩個恒流 源充電和放電。若S斷開，僅有電流I1向C充電，當(dāng)C上電壓上升到比較器1的門限電 壓2 3V s時，觸發(fā)器輸出Q = 1。開關(guān)S導(dǎo)通，CS2把電流I2加到C上反充電，當(dāng)I2> I1 時，相當(dāng)于C由一個凈電流I2- I1放電，止匕時C上電壓逐漸下降，當(dāng)下降到比較器2的門 限電壓1 3V s時，R S觸