波形发生器.docx

目录O.引言11.多种波形发生器的设计背景、要求及任务11.1 设计背景11.2 设计任务11.3 设计要求12 方案选择12.1 K方案一212.2 K方案二123 .根本原理23.1 函数发生器的组成23.2 方波发生器23.3 三角波发生器33.4 正弦波发生器44 .稳压电源54.1 直流稳压电源设计思路54.2 直流稳压电源原理55 .系统工作原理与分析75.1 1ICL8038芯片性能特点75.2 ICL8038原理简介75.3 工作原理85.4 正弦函数信号的失真度调节85.5 ICL8038的典型应用86 .心得体会9参考文献9附录1元器件清单10附录2制作的实物图错误!未定义书签。多种波形发生器的设计XXX指导老师：XXX【摘要】本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作本钱较低。ICL8038是一种具有多种波彩输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.00IHZ30KHZ的低失真正弦波、三角波、矩彩波等脉冲信号。榆出波形的顺率和占空比还可以由电流或电阻控制。函数信号发生器可以先产生三角波一方波，再将三角波或方波转化为正弦波。【关键词】ICL8038多种波形原理图常用接法O.引言函数信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的根本测试信号。在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转线圈上加随时间线性变化的电压一一锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波正弦波三角波以及锯齿波阶梯波等电压波形的电路或仪器。因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的函数信号发生器。1 .多种波形发生器的设计背景、要求及任务1.1 设计背景函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是别离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波一方波，再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的快速开展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的1.2 设计任务：设计产生方波、三角波、及正弦波等多种波形输出的波形发生器。1.3 设计要求1 .输出各种波形工作频率范围在1HZ2OKHZ连续可调。2 .正弦波幅值土10土失真度小于1.5%；3 .方波幅值±10V；4 .三角波峰峰值20V,各种输出波形幅值均连续可调。2方案选择2.1 R方案一X由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比拟器得到方波，方波经积分器后可得三角波。这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。幅度稳定性难以到达要求，调频时幅度会随着频率的变化而变化。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。2.2 R方案二1利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C（芯片的第十脚）的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压UC的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。ICL8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。该方案的特点是十清楚显的：（1）线性良好、稳定性好；频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形；三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。3,根本原理3.1 函数发生器的组成函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及别离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。函数信号发生器是是由根底的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，从而到达在合成电路时使电路更加合理。3.2 方波发生器如图3-2-1用运算放大器滞回比拟器和K.、C积分电路组成的，输出电压经Rf、C反应到运放的反相输出端，因此积分电路起延迟和负反应作用。参看图3-2-1所示电路，设在接通电源的时刻，电容器两端电压0=0,输出电压O=Uz，那么加到运放同相输出端的电压为/=J-Uz=FUZ。Pr1+r2ZZ图3-2-1式中，尸二（RRiR）。此时=UZ通过与向C充电，使运放反相输入电压Un=Uc由零逐渐上升。在以前，=UZ保持不变。在Z=。时刻，N上升到略高于P，由高电平跳到低电平,即变为一Uz。u0=-Uz时，=-FUz,同时uo=-UZ通过H/向C充电，使运放反相输入端电压N=uc由零逐渐上升。在%以前，=-Uz保持不变。在f=G时刻，下降到略低于如，。由低电平跳到高电平，即变为Uz,又回到原始状态。如此周而复始，循环不已，因此产生振荡，输出方波。根据上边的分析，可以画出UC与UO的波形如下列图3-2-2所示由波形可知，“°从"时刻的七%/（与+冗2）=/UZ下降到G时刻的尸力，再上升到J时刻的FUz，所需的时间就是一个振荡周期乃在乙到与这段时间，"c的变化规律是简单RC电路充放电规律，其常数为RrC,初始值为尸U/时刻），终了值为一UZC-8）,故c=一"z+尸4一（Uz）3'f"%c在，=与时，%=-FUz,代入上式后可1Ir?OD（2t=RrCljn=RfC111（1H-）2,zI-FfR1同样可求=12-=RCin（i+）由于上下电平所占的时间相等，故。是方波。其振荡周期为T=t3-tl=2fCln(l+-)图3-2-2假设选取适当的8、R2值，使F=R2/（鸟+&）=047,那么T=2RC,于是振荡频率为:3.3 三角波发生器根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当RC积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和RC积分电路就可以组成三角波信号发生器。三角波信号发生器的电路组成如图4-3-1所示。图中的运算放大器A组成方波信号发生器，42组成RC积分电路。该电路的工作原理是：方波信号发生器输出的方波。图中4等还可构成同相滞回比拟器，A2和R4、C等组成反相积分电路。信号输入积分电路，在积分电路的输出端得到三角波信号。积分电路的输出端除了输出三角波信号外，并通过电阻R将三角波信号反应到滞回电压比拟器的输入端，将三角波信号整形变换成方波信号输出。该电路的工作波形图如图4-3-1所示。根据上图可以看出在t=0时，比拟器A输出电压为高电平，电容两端的电压为零，即川略低于(O)=UZ,Nc(O)=O,那么积分电路输出电压Uo(O)=一Ue(O)=0此时电容被充电，显然于是“0线性下降，"pi也下降，直到f=4时，尸I略低于m("ni=°)，即川略低于零时，从UZ突跳到一Uz，同时2I也跳变到更低的值(比零低的多)。可见，在f=G前的图3-3-1一瞬间，I%=。，uol=Uz,而从流过禺和A2的电流相等，那么ioQ)/叫=4/6，故。储)=一。LUZ附2/=4后，由于“Q=-UZ故电容放电，其两端压于是。线性上升，*也上升。直到r=G时，"川略大于零，例从一U7突跳到U7。可见，在=b前的一瞬间，u,i=0,U0=-Uz,那么一0(，2)/R=4/&2，故在f=G以后电路周而复始，循环不以，形成振荡。那么根据分析可以画出0和。的波形，如图4-3-2所示。其中“口为方波，“°为三角波。气之所以为三角波，是由于电容充放电的时间常数相等，积分电路输出电压上升和下降的幅度和时间相等，上升和下降的斜率的绝对值也相等。显然，三角波。峰值为:Utm吟UZ下面求振荡周期。由于"=T2,而当RTJGf-2时，有0=-/UZ+-7(z-zi)K2A4C0。2)= -5力TI) =5UZ7七图3-3-2那么可以在调整三角波电路时，应先调整Rl或R2，使其峰值到达所需要的值，然后再调整Rj或C,使频率y0=1/7能满足要求。3.4 正弦波发生器又称文氏电桥振荡器，如图1-3T所示，其中A放大器由同相运放电路组成，图3-4-2,因此,VAv=(1+匕图3-4-1图3-4-2F网络由RC串并联网络组成，由于运放的输入阻抗Ri很大，输出阻抗R。很小，其对F网络的影响可以忽略不计，从图343有R由自激振荡条件：T=AF=I有AK=L=I所以上式分母中的虚部必须为零,3R+j(R2C-)C即次。-=OCAR上式的实部为1,即凸=13R对图3-4-2同相运放，A，=1+""须满R足色=2R。以上分析说明：图343 文氏电桥振荡器的振荡频率t0=-,由具有选频特性的RC串联网络决定。 图中文氏电桥振荡器的起振条件为A3,即要求放大器的电压增益大于等于3,略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予补偿。但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。4 .稳压电源4.1 直流稳压电源设计思路(1)电网供电电压交流220V(有效值)50Hz,要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。(2)降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大(即脉动大)。(3)脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保存其直流成份。(4)滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到根本不受外界影响的稳定直流电压输出，供应负载RL04.2 直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图421T工枷交流脉动直流直流图4-2-1直流稳压电源方框图其中：(1)电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。(2)整流电路：利用单向导电元件，把50HZ的正弦交流电变换成脉动的直流电(3)滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大局部加以滤除，从而得到比拟平滑的直流电压。(4)稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图5-2-4所示。在u2的正半周内，二极管Dl、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，Dl、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻Rl,且方向是一致的。电路的输出波形如图424所示。在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为同,(U?是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以到达使输出波形根本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uoi=(l.1-1.2)U2,直流输出电流：,Z2(1.5-2)IL是变压器副边电流的有效值）稳压电路可选集成三端稳压器电路模块。总体原理电路如图4-2-5所示图*2-5电路原理图1N4007TS_PQ4 28D1 D21N4D3 D4 1N4(K)7U1 LM7815CT2 LM7915CT正弦赛1节一 1 正轴鼬_ 2三版吁3瓣/战比调节一 4 却1/占空比,节一 5 正电IlV- 6»«1-75 .系统工作原理与分析5. 1ICL8O38芯片性能特点1 .具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm/2 .具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；3 .正弦波输出具有低于1%的失真度；三角波输出具有0.1%高线性度；4 .具有0.OOIHZIMHZ的频率输出范围；工作变化周期宽，2%98%之间任意可5 .高的电平输出范围，从TTL电平至28V；6 .易于使用，只需要很少的外部条件。KL8038DiNC13-NC12TE弦翅节211一负电/VJGNDIO-耀电容9一正弦树鼬8T原2图5-2-1ICL80385.2ICL8038原理简介ICL8038采用DIP14封装，管脚如图5-2-1所示。芯片内部包括两个恒流源，两个电压比拟器,两个缓冲器，正弦波变换器，模拟开关，RS触发器。在构成函数波形发生器时，应将第7,8两脚短接。其工作原理如下：利用恒流源对外接电容进行充放电，产生三角波（或锯齿波），经缓冲器I从第3脚输出，由触发器获得的方波（或锯形波），经缓冲器II从第九脚输出。再利用正弦波变换器将三角波变换成正弦波，从第2脚输出。改变电容器的充放电时间，可实现三角波与锯齿波方波与矩形波的互相转换。5.3 工作原理当给函数发生器ICL8038接通电源时，电容C的电压为OV,电压比拟器I和11的输出电压均为低电平：因而RS触发器的输出Q为低电平，Q'为高电平：使电子开关S断开，电流源ISl对电容充电,充电电流时间的增长而线性上升。UC的上升使RS触发器的R端从低电平跃变为高电平，但其输出不变，一直到UC上升到1/3VCC时，电压比拟器I的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（Q,同时变为低电平），导致电子开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=L因放电电流是恒流，所以，电容上电压UC随时间的增长而线性下降。起初，UC的下降虽然使RS触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直到UC下降到1/3VEE,使电压比拟器II的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（Q,同时为高电平），使得电子开关S断开，电容C又开始充电。重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为对称三角波形,Q为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。通过以上分析可知，改变电容充电放电电流即改变RA,RB的数值，或改变电容C的数值，就改变了充放电时间，因此可改变其频率。ICI.8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，也可双电源供电,他们的值为±5±15V,我们取士15V,频率的可调范围为0.l250kHz,输出矩形波的占空比可调范围为5%90%,5.4 正弦函数信号的失真度调节由于ICL8038单片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。图5-4-1为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在实际应用中，两只100K的电位器应选择多圈精度电位器，反复调节，可以到达很好的效果。图5-4-1正弦波失真度调节路图5-5-15.5ICL8038的典型应用IC8038的典型应用电路见图551。图中，Rl、R2为定时电阻，均为可调式，阻值范围为Ik。IMOo调节能改变振荡频率以及矩形波的占空比。为定时电容，也影响振荡频率。R3用来调整正弦波的失真。由于第9脚为集电极开路输出，必须外接集电极负载R4。特别，当RI=R2=R时，12=21,即tl=t2,D=50%,此时输出为对称的方波、三角波、正弦波。式子化简成:fo=0.3RC°如果在把第4、5两脚短接，经过一只公用的定时电阻R接V+,振荡频率的计算公式：fo=0.15R.考前须知：(1)用单电源供电时，三角波和正弦波的平均值等于V+/2,而方波幅度为V+。用双电源供电时,所有输出波形相对于地(GND)电平均是正负相称的。(2)方波输出的电压幅度不受V+的限制，也可以把负载电阻R4改接其它电源电压E+上，但E+不得超过+30。(3)为减小正弦波的失真，可将图3中的R3(82kQ)换成IoOkQ可调电阻。还可以采用图5所示电路，该电路适合对振荡器作小范围调整(R是调节电阻)，并使正弦波的失真度减小到0.5%以下，R4、R7为失真度调节电阻。6.心得体会通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况,就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此消耗在这上面的时间用去很多。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的稳固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。题的能力。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比方一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这次的设计对我们的作用是非常大的。首先必须有明确的设计方案，并要验证该方案的可行性。比方简单的文氏桥振荡，必需要有稳幅环节，否那么在调节频率时，幅度会随着频率的变化而变化。第二，搞清楚了方波、正弦波、三角波的产生原理，学会了使用函数发生ICL8038芯片的使用。第三，就是焊接电路，这个环节比拟麻烦，也容易出错。在焊接前我们的考虑元件的布局，查芯片的管脚手册，了解芯片怎样接入电路，应该满足什么条件。还要做简单的芯片保护电路。(我们在焊接过程中，把7915芯片的管脚接错，在测试中，该芯片发热，导致芯片烧毁)在焊接过程中还要格外小心，注意芯片在焊接过程中的过热保护，同时做好防静电保护。第四，在mutlisum中仿真只能验证理论的可行性。而实际电路与仿真还有很大的差距，要靠调试来解决。弁考文献1、康华光，邹寿彬.电子技术根底数字局部(第四版).北京：高等教育出版社，19992、杜肤生.数字集成电路应用精粹.北京：人民邮电出版社,20013、陈大钦.电子技术根底实验(第二版).北京：高等教育出版社,20004、童诗白.模拟电子技术M.北京：高等教育出版社,19995、全国大学生电子设计竞赛组委会.第五界全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编.北京理工大学出版社，20036、中国计量出版社组编，新编电子电路大全.北京：中国计量出版社,2001.17、葛汝明.电子技术实验与课程设计.山东：山东大学出版社,20048、周永金.模拟电子技术及应用.西安：陕西国防学院电子教研室,20059、吴玮玮.PROTEL99简明应用教程.西安：陕西国防学院电子教研，200610、任元，吴勇.常用电子元器件简明手册.北京：工业出版社,2000Ik程路，郑毅，向先波.PROTEL99SE电路板设计与制作.人民邮电出版社,2007附录元器件清单序号名称型号数量备注1集成函数发生器ICL80381片2三端集成稳压器LM78151片3三端集成稳压器LM79151只4整流二极管1N40074只二极管5变压器TRANSl1只6电容器Cl0.Iuf1只CT型瓷介电容器7电容器C20.Iuf2只瓷片电容器8电容器C447uf2只电解电容器9电容器C5220uf2只电解电容器IO电容器C63300p1只CC型瓷介电容器11电位器RI100k2只多圈精密电位器12电位器R220k1只多圈精密电位器13电位器R3Ik1只多圈精密电位器14电阻R5IOk4只碳膜电阻15电阻R94.7k2只碳膜电阻