函数发生器的设计.doc
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1、本科毕业设计题 目 方波-三角波-正弦波函数发生器设计 学 院 管理科学与工程学院 专 业 电子信息工程专业 班 级 08 信工2班 学 号 200883018 姓 名 朱传章 指导老师 殷红彩 2012年 5月摘 要函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。本设计研究了函数发生器的一种设计方法,先由函数比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过有损积分器产生正弦波,完成了三种波形的产生与仿真。设计中各波形的频率可以通过电路中的可变电阻进行调节。本文从基础的电路原理阐述函数发生器的设计过程,利用集成运算放大器最大程度满足课题要求。设计实现了波形、频率、幅
2、值以及失真度的控制,并且在软件中进行了仿真,直观地显示了函数发生器的波形和相关数据控制效果。关键字:函数发生器;积分器;Multisim9仿真AbstractFunction generator is a kind of common source, modern testing field is most widely used one of general instrument. The design of the function generator a design method, first by function comparator produce square wave, ag
3、ain through the integrator produce triangle wave, the last through the harm integrator produce sine wave, the completion of the three waveform generation and simulation. In the design of the wave frequency can through the circuit of the variable resistor adjustment. Based on the basic of the circuit
4、 principle of this function generator design process, using the integrated operational amplifier satisfy subject requirements. Design realize the waveform, frequency, amplitude and the distortion degree of control, and the software simulation, intuitively shows the function generator of related data
5、 waveform and control effect. Keyword: Function generator; Integrators; Multisim9 simulation 目 录1 引 言11.1 设计目的与任务11.2 设计要求12 方案论证与比较22.1 电路实现方案一22.2 电路实现方案二22.3 电路实现方案三33 基本原理53.1 函数发生器的组成53.2 方波发生电路部分的工作原理53.3 方波-三角波转换电路的工作原理63.4 三角波-正弦波转换电路83.5总电路图93.6电路的参数选择及计算103.6.1.比较器A1与积分器A2元器件103.6.2.方波三角波中
6、电容C1变化104 安装电路并调试电路114.1 总电路的安装与调试114.2电路仿真114.2.1Multisim仿真软件简介114.2.2 方波-三角波发生电路的仿真134.2.3 三角波-正弦波发生电路的仿真145 课题总结及问题145.1 课程总结145.2 设计所遇问题15心得体会15参考文献17致 谢181 引 言函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。 在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时,都学要有信号源,由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上,用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应,以分析确定它们的
7、性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。随着科学技术的发展,电子技术越来越来受到人们的关注,人们在追求功能齐全的电子产品的同时也越来越关注电子产品的易携带性、体积、质量、易于维修等。函数发生器将朝着集成化的方向发展,集成电路具有所用元件数量少、质量轻、体积小、便于携带、易于维修、易于调试、便于快速大规模生产的特点。1.1 设计目的与任务掌握常用元器件的识别和测试熟悉常用仪表;了解电路调试的基本方法。培养综合应用所学知识来指导实践的能力。掌握电子系统设计方法,善于总结和思考,独
8、立完成设计方波三角波正弦波函数信号发生器的任务。1.2 设计要求设计并制作一个能产生方波、三角波及正弦波信号输出的波形发生器,并在Windows XP系统中用MultiSim9软件进行仿真验证。1、输出的各种波形工作频率范围1Hz100KHz连续可调;2、正弦波幅值土10V,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 方案论证与比较2.1 电路实现方案一信号产生电路的模拟电路实现方案,也有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产生正弦波信号,然后用过零比较器产生方波,再经过积分电路产生三角波。如电路框图2.1所示。图2.1 模拟电路产生方案
9、这种电路结构简单,并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号,存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的,而随着方波信号频率的改变,积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变,则必须同时改变积分时间常数的大小,要实现这种同时改变电路参数的要求,实际是比较困难的。 2.2 电路实现方案二图2.2 由8038构成简易函数发生器 第二种方案是采用8038集成函数发生器产生正弦波、方波和三角波,如图2.2所示,其震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。其特点是:元器件少、图简单、调试方便、较为精确。2.3 电路实现方案
10、三由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号,然后通过有损积分器,即低通滤波器,将三角波信号转换成正弦波信号。如图2.3方波方波发生器积分器低通滤波器三角波正弦波图2.3 方案三设计方案其中对于方案二,ICL8038是单片集成函数发生器,其内部原理电路框图如图2.4。ICL8038由恒流源I1、I2,电压比较器C1、C2和触发器等组成。电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/(VR=VCC+VEE),电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压VC随时间线性上
11、升,当VC上升到VC=2VR/3时,比较器C1输出发生跳变,使触发器输出端Q由低电平变为高电平,控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1,因此电容C放电,vc随时间线性下降。当vc下降到vcVR/3时,比较器C2输出发生跳变,使触发器输出端Q又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,vc又随时间线性上升。如此周而复始,产生振荡,若I2=2I1,vc上升时间与下降时间相等,就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。因此,ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形其中,振荡电容C由外部接入,它是由内部两个恒流
12、源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电,增加电容电压,从而改变比较器的输入电平,比较器的状态改变,带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态,电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时,比较器1状态改变,使触发器工作状态发生翻转,将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I,是恒流源1的2倍,电容器处于放电状态,在单位时间内电容器端电压将线性下降,当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时,比较器2状态改变,使触发器又翻转回到原来的状态,这样周期性的循环,完成振荡过程。在以上基本电路中很容易获得3种函数信号,假如电容
13、器在充电过程和在放电过程的时间常数相等,而且在电容器充放电时,电容电压就是三角波函数,三角波信号由此获得。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的,所以,触发器的状态翻转,就能产生方波函数信号,在芯片内部,这两种函数信号经缓冲器功率放大,并从管脚3和管脚9输出。适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此,对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下,可以循环调节,从最小到最大,任意选择调整,所以,只要调节电容器充放电时间不相等,就可获得锯齿波等函数信号。图2.4 8038内部原理电路框图正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获
14、得。利用二极管的非线性特性,可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来,逼近点越多得到的正弦波效果越好,失真度也越小,在本芯片中N4,失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当满意。所以方案二是相对比较满足要求的,但是由于Multisim 9中没有8038芯片,因此我选择方案三,方案三有以下特点:1.线性良好、稳定性好;2.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;3.三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,我们采用了第三种方案
15、来产生信号。3 基本原理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分离元件构成;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基础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,从而达到在合成电路时使电路更加合理。3.2 方波发生电路部分的工作原理 此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一
16、时刻输出电压Uo=+Uz, 则同相输入端电位Up=+Ut。Uo通过R3对电容C正向充电。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;但是,一旦Un=+Ut, 再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后,Uo又通过R3对电容C反向充电。Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正向充电。上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。3.3 方波-三角波转换电路的工作原理a图3.1 方波三角波产生电路如图3.1,为方波三角波产生电路
17、,在这个电路中,是由两部分组成,左边是一个电压比较器,右边则是一个积分器。两部分电路连成一体,互相作用、互相影响,从而产生方波和三角波两种波形。工作原理如下:若a点断开,运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压,即U-=0,同相输入端接输入电压Uia,R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压-Vee(|+Vcc|=|-Vee|), 当比较器的U+=U-=0时,比较器翻转,输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则 将上式
18、整理,得比较器翻转的下门限电位Uia-为 若Uo1=-Vee, 则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度a点断开后,运放A2与R4、RP2、C2(即上文C1)及R17组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1则积分器+的输出Uo2为由此得出:时,时,可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波A点闭合,既比较器与积分器首尾相连,形成闭环电路,则自动产生方波-三角波。见图3.2。三角波的幅度为三角波幅值公式可以从上面推出。那么方波-三角波的1/4周期t,满足由此得出,方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论:图3.2 方波-三角波变换电位器Rp2在调整方波-
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