模擬電子函數(shù)發(fā)生器課程設(shè)計(jì)報(bào)告 [文檔在線提供] (2)

武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)說明書目 錄1 設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)（3）1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求（3）1.2 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)（3）2 函數(shù)發(fā)生器的原理及方案選擇（4）2.1 函數(shù)發(fā)生器的原理（4）2.2 函數(shù)發(fā)生器的各方案分析比較及選擇（4）3 集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的函數(shù)發(fā)生器（6）3.1 方波發(fā)生電路的工作原理（6）3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理（6）3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理（10）3.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算（12）3.5 總電路圖（14）3.6 方波-三角波發(fā)生電路的仿真（14）3.7 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真（16）4 基于ICL8038設(shè)計(jì)的函數(shù)發(fā)生器（16）4.1 單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038的電路結(jié)構(gòu)（16）4.2 ICL8038的引腳圖（18）4.3 ICL8038的性能優(yōu)點(diǎn)（18）4.4 ICL8038的工作原理（19）4.5 電路的參數(shù)選擇及計(jì)算(20)4.6 總電路圖(21)4.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果（21）5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)（22）6 元器件清單(23)7 參考文獻(xiàn)(24)421 設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1.1 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)能夠產(chǎn)生方波三角波正弦波的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)要求 （1） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實(shí)驗(yàn)室條件自選方案設(shè)計(jì)出原理電路圖，分析工作原理，計(jì)算元件參數(shù)。 （2） 列出所有元、器件清單報(bào)實(shí)驗(yàn)室備件。 （3） 安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 （4） 記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.2 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)輸出波形：方波三角波正弦波頻率范圍：1kHz10kHz輸出電壓：方波Vp-p12V,三角波6V,正弦波3V2函數(shù)發(fā)生器的原理及方案2.1 函數(shù)發(fā)生器的原理函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)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。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途?，F(xiàn)在我們通過對函數(shù)信號發(fā)生器的原理以及構(gòu)成設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的簡易發(fā)生器。我們通過對電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最適合本課題的方案。在達(dá)到課題要求的前提下保證經(jīng)濟(jì)、方便、優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。按照設(shè)計(jì)的方案選擇具體的原件，焊接出具體的實(shí)物圖，并在實(shí)驗(yàn)室對焊接好的實(shí)物圖進(jìn)行調(diào)試，觀察效果并與最初的設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)作對比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。 2.2 函數(shù)發(fā)生器的各方案分析比較及選擇根據(jù)函數(shù)發(fā)生器的原理，本課題的設(shè)計(jì)有多種方案，在本次設(shè)計(jì)中，我主要參考了以下兩種方案。方案一：方波三角波正弦波產(chǎn)生電路主要由運(yùn)放及分立元件構(gòu)成，先通過比較器產(chǎn)生方波，然后由積分器將方波變成三角波，再用有源濾波器講三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。其組成框圖見圖1.1。該方案能實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)的指標(biāo)要求，且能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的幅度調(diào)節(jié)。但積分電路的時(shí)間參數(shù)選擇需保證電路不出現(xiàn)積分飽和失真。方波三角波正弦波幅度調(diào)節(jié)輸出有源濾波比較器積分器圖1.1方案二：采用單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器ICL 8038制作的信號發(fā)生器,可同時(shí)輸出方波、三角波和正弦波,頻率調(diào)節(jié)范圍大,正弦失真小，制作比較簡單。3 集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的函數(shù)發(fā)生器3.1 方波發(fā)生電路的工作原理 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(shí)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R3對電容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的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(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R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(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，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。3.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理方波三角波產(chǎn)生電路 工作原理如下：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。3.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理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。 三角波正弦波變換電路3.4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)。2.三角波-正弦波部分比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。由式（3-61）得即取 ，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)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3.5 總電路圖三角波-方波-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。3.6 方波-三角波發(fā)生電路的仿真3.7 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真4 基于ICL8038設(shè)計(jì)的函數(shù)發(fā)生器4.1 單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038的電路結(jié)構(gòu)查閱資料手冊得知，8038由恒流源I1、I2，電壓比較器C1、C2和觸發(fā)器等組成。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖1.3所示圖1.3函數(shù)發(fā)生器ICL8038的電路結(jié)構(gòu)共有五個(gè)組成部分。兩個(gè)電流源的電流分別為I1和I2，且I1=I，I2=2I；兩個(gè)電壓比較器C1和C2的閾值電壓分別為 和 ，它們的輸入電壓等于電容兩端的電壓uC，輸出電壓分別控制RS觸發(fā)器的S端和R端；RS觸發(fā)器的狀態(tài)輸出端Q和 用來控制開關(guān)S，實(shí)現(xiàn)對電容C的充、放電；兩個(gè)緩沖放大器用于隔離波形發(fā)生電路和負(fù)載，使三角波和矩形波輸出端的輸出電阻足夠低，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力；三角波變正弦波電路用于獲得正弦波電壓。RS觸發(fā)器是數(shù)字電路中具有存儲(chǔ)功能的一種基本單元電路。Q和 是一對互補(bǔ)的狀態(tài)輸出端，當(dāng)Q=1時(shí)， ；當(dāng)Q=0時(shí)， 。S和R是兩個(gè)輸入端，當(dāng)S=R=0時(shí)，Q=0時(shí)， ；反之，當(dāng)S=R=1時(shí)，Q=1時(shí)， ；當(dāng)S=0，R=1時(shí)，Q和 保持原狀態(tài)不變。兩個(gè)電壓比較器的電壓傳輸特性如下圖3.2所示圖1.44.2 ICL8038的引腳圖如圖2.4所示為ICL8038的引腳圖，其中引腳8為頻率調(diào)節(jié)（簡稱為調(diào)頻）電壓輸入端，電路的振蕩頻率與調(diào)頻電壓成正比。引腳7輸出調(diào)頻偏置電壓，數(shù)值是引腳7與電源+VCC之差，它可作為引腳8的輸入電壓。圖1.54.3 ICL8038的性能優(yōu)點(diǎn)ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器?？捎脝坞娫垂╇?，即將引腳11接地，引腳6接+VCC，VCC為1030V；也可雙電源供電，即將引腳11接-VEE，引腳6接+VCC，它們的值為±5±15V。頻率的可調(diào)范圍為0.01Hz300kHz。輸出矩形波的占空比可調(diào)范圍為2%98%，上升時(shí)間為180ns，下降時(shí)間為40ns。輸出三角波（斜坡波）的非線性小于0.05%。輸出正弦波的失真小于1%。4.4 ICL8038的工作原理圖1.6兩個(gè)電壓比較器C1、C2的門限電壓分別為2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，且I2必須大于I1。當(dāng)觸發(fā)器的Q端輸出為低電平時(shí)，它控制開關(guān)S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電，使電容兩端電壓vC隨時(shí)間線性上升，當(dāng)vC上升到vC=2VR/3 時(shí)，比較器C1輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出Q端由低電平變?yōu)楦唠娖?，控制開關(guān)S使電流源I2接通。由于I2>I1 ，因此電容C放電，vC隨時(shí)間線性下降。當(dāng)vC下降到vCVR/3 時(shí)，比較器C2輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端Q又由高電平變?yōu)榈碗娖?，I2再次斷開，I1再次向C充電，vC又隨時(shí)間線性上升。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。若I2=2I1 ，vC上升時(shí)間與下降時(shí)間相等，就產(chǎn)生三角波輸出到腳3。而觸發(fā)器輸出的方波，經(jīng)緩沖器輸出到腳9。三角波經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由腳2輸出。當(dāng)I1<I2<2I1 時(shí)，vC的上升時(shí)間與下降時(shí)間不相等，管腳3輸出鋸齒波。因此，8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波等四種不同的波形。4.5 電路的參數(shù)選擇及計(jì)算如圖1.7所示為ICL8038最常見的兩種基本接法，矩形波輸出端為集電極開路形式，需外接電阻RL至+VCC。在圖(a)所示電路中，RA和RB可分別獨(dú)立調(diào)整。在圖(b)所示電路中，通過改變電位器RW滑動(dòng)的位置來調(diào)整RA和RB的數(shù)值。圖1.7由圖1.5可見，管腳8為調(diào)頻電壓控制輸入端，管腳7輸出調(diào)頻偏置電壓，其值（指管腳6與7之間的電壓）是(VCC+VEE/5) ，它可作為管腳8的輸入電壓。此外，該器件的方波輸出端為集電極開路形式，一般需在正電源與9腳之間外接一電阻，其值常選用10kW左右，如圖1.7所示。當(dāng)電位器Rp1動(dòng)端在中間位置，并且圖中管腳8與7短接時(shí)，管腳9、3和2的輸出分別為方波、三角波和正弦波。電路的振蕩頻率f約為0.3/C(R1+RP1/2) 。即輸出頻率由電阻R1、RP1及電容C決定。R1+RP1為電阻R1和電位器RP1的串聯(lián)值。參考有關(guān)資料，電容C選擇大小為4700pF的瓷片電容。根據(jù)設(shè)計(jì)的輸出頻率要求，計(jì)算得出RI+RP1的范圍為3千歐到30千歐之間。因此選擇兩個(gè)10K的電阻R1和R2，以及一個(gè)1K的電位器RP1.4.6 總電路圖總電路圖如圖，其中調(diào)節(jié)RP1可改變輸出信號的頻率，調(diào)節(jié)RP1和RP2可以改善正弦波的失真。4.7實(shí)驗(yàn)結(jié)果頻率峰值方波5kHz11.2V三角波5kHz4.8V正弦波5kHz3.4V圖1.75實(shí)驗(yàn)總結(jié)為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，在這一星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、焊接過程中我感觸頗深。使我對抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識(shí)別和測試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。在實(shí)驗(yàn)過程中，我遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。通過這次課程設(shè)計(jì)，我加深了對所學(xué)理論知識(shí)的理解，將課堂上的理論運(yùn)用到實(shí)際的操作中。對集成電路有了初步的認(rèn)識(shí)，對函數(shù)發(fā)生器的自激振蕩原理有了進(jìn)一步的理解?？偠灾@次課程設(shè)計(jì)，使我的理論水平，動(dòng)手能力都有了很大提高。6 元器件清單元件名稱個(gè)數(shù)型號主要參數(shù)ICL80381片ICL8038十四腳插座1個(gè)電位器1個(gè)1K電位器1個(gè)100K電阻3個(gè)10K導(dǎo)線若干電路板1塊7 參考文獻(xiàn)電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測試 第三版，謝自美 主編，華中科技大學(xué)出版社模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 設(shè)計(jì) 仿真 編程與實(shí)踐，李萬臣主編，哈爾濱工程大學(xué)出版社