模拟电子技术基础课程设计报告函数发生器的设计.doc
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1、 扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题 目: 函数发生器的设计 课 程: 模拟电子技术基础 指导老师: 班 级: 智能 0801 姓 名: 学 号: 第 一 部 分任 务 及 指 导书(含课程设计计划安排)模拟电子技术课程设计任务书课题:函数发生器的设计一、 电子电路设计的一般方法1仔细分析产品的功能要求,利用互连网、图书、杂志查阅资料,从中提取相关和最有价值的信息、方法。(1)设计总体方案。(2)设计单元电路、选择元器件、根据需要调整总体方案(3)计算电路(元件)参数。(4)绘制电路图初稿2上机利用EDA软件进行电路实验仿真。电路图设计已有不少的计算机辅助设计软件,利用这些软件可显著减轻
2、了人工绘图的压力,电路实验仿真大大减少人工重复劳动,并可帮助工程技术人员调整电路的整体布局,减少电路不同部分的相互干扰等等。3在面包板上或万能板上焊接、安装电路。4电路调试。了解掌握电路调试的基本方法。利用常用仪表调试电路,排除电路故障,提高电路性能,巩固理论知识,提高解决实际问题的能力。5独立撰写课程设计报告。二、 函数发生器的简介函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为
3、进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;也可以首先产生三角波方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法,三、 函数发生器的工作原理本课题中函数发生器电路组成框图如下所示:由比较器和积分器组成方波三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点
4、稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时,可以有效地抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。四、 设计目的1掌握电子系统的一般设计方法2掌握模拟器件的应用3培养综合应用所学知识来指导实践的能力 五、 设计要求及技术指标1设计、组装、调试函数发生器2输出波形:正弦波、方波、三角波;3频率范围 :在10100、K、1K10K范围内可调 ;4输出电压:方波V,三角波,正弦波;六、 设计所用仪器及器件1直流稳压电源2双踪示波器3万用表4运放5741底座6电阻、电容若干7三极管8万能板七、 日程安排查资料,方案设计一天
5、根据设计要求,查阅参考资料,进行方案设计及可行性论证,确定设计方案,画出详细的原理图。用EDA软件对设计电路进行模拟仿真调试半天要求在虚拟仪器上观测到正确的波形并达到规定的技术指标。电路的装配及调试两天半在万能板上对电路进行装配调试,使其全面达到规定的技术指标,最终通过验收。总结撰写设计报告一天器件清单1运放741 2电位器50K 100K 100 3电容470F 10F 1F 0.1F 0.01F 4三极管9013 5万能板(16cm12cm) 6741底座7焊锡丝、导线(两种颜色,各2卷)8电阻10205.18156.82100欧第 二 部 分课程 设计 报 告 目录1 Multisim软
6、件简介81.1 Multisim基本概念81.2 Multisim中的测试仪器和分析功能介绍91.3 EDA介绍92 函数发生器的几种设计方法92.1 基于555的函数发生器设计92.2 基于ICL8038函数发生器设计102.3 基于单片机的函数发生器设计123 函数发生器的设计框图124 函数发生器工作原理134.1函数发生器原理图134.2 方波产生电路134.3方波三角波产生电路154.4三角波正弦波转换电路的工作原理175.电路的参数选择及计算195.1三角波正弦波部分195.2函数发生器的电路图196.电路仿真217 电路的安装与调试247.1方波三角波发生器的装调247.2三角波
7、正弦波变换电路的装调247.3性能指标测量与误差分析248 实物展示及调试过程259 收获体会2510附件一271 Multisim软件简介1.1 Multisim基本概念Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。图1-1-1 Multisim启动界面工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿
8、真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim,您可以立即创建具有完整组件库的电路图,并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器,您能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证,从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成,完善了具有强大技术的设计流程
9、,从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。1.2 Multisim中的测试仪器和分析功能介绍提供了22种虚拟仪器进行电路动作的测量:Multimeter(万用表),Function Generatoer(函数信号发生器),Wattmeter(瓦特表),Oscilloscope(示波器),Bode Plotter(波特仪),Word Generator(字符发生器),Logic Analyzer(逻辑分析仪),Logic Converter(逻辑转换仪),Distortion Analyer(失真度仪),Spectrum Analyzer(频谱仪),Network Analyzer(网络分析仪)
10、,Measurement Pribe(测量探针),Four Channel Oscilloscope(四踪示波器),Frequency Counter(频率计数器),IV Analyzer(伏安特性分析仪),Agilent Simulated Instruments(安捷伦仿真仪器),Agilent Oscilloscope(安捷伦示波器),Tektronix Simulated Oscilloscope(泰克仿真示波器),Voltmeter(伏特表),Ammeter(安培表),Current Probe(电流探针),Lab VIEW Instrument(Lab VIEW仪器)。Multis
11、imt提供了许多分析功能:DC Operating Point Analysis(直流工作点分析 ),AC Analysis(交流分析),Transient Analysis(瞬态分析),Fourier Analysis(傅里叶分析),Noise Analysis(噪声分析),Distortion Analysis(失真度分析),DC Sweep Analysis(直流扫描分析),DC and AC Sensitvity Analysis(直流和交流灵敏度分析),Parameter Sweep Analysis(参数扫描分析),Temperature Sweep Analysis(温度扫描分析
12、),Transfer Function Analysis(传输函数分析),Worst Case Analysis(最差情况分析), Pole Zero Analysis(零级分析),Monte Carlo Analysis(蒙特卡罗分析),Trace Width Analysis(线宽分析),Nested Sweep Analysis(嵌套扫描分析),Batched Analysis(批处理分析),User Defined Analysis(用户自定义分析)。1.3 EDA介绍EDA就是“Electronic Design Automation”的缩写技术已经在电子设计领域得到广泛应用。一台电
13、子产品的设计过程,从概念的确立,到包括电路原理、PCB版图、单片机程序、机内结构、FPGA的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计,再到PCB钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。EDA技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点,可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。2 函数发生器的几种设计方法2.1 基于555的函数发生器设计通过555定时器进行函数发生器的设计,电路简单,成本低廉。555定时器是集模拟电路和数字电路为一体的中规模集成电路,只要适当配接少量的外围元件,可以方便的构成脉冲
14、产生电路、脉冲变换电路及其它具有定时功能的电路。设计思路为:由555定时器构成的多谐自激震荡器得到方波;方波通过一阶RC积分电路得到三角波;三角波再通过二阶RC积分电路得到正弦波。图2-1-1 555定时器构成的函数发生器图2-1-2 电路仿真波形图由555定时器构成的函数发生器,电路简单,成本低廉,如稍许增加正弦波放大电路及幅度调节电路,即可构成简单实用的信号源。2.2 基于ICL8038函数发生器设计ICL8038的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间,它可以同时输出方波(或脉冲波)、三角波、正弦波。其内部组成如图所示。输出波形频率可变且精确度高,当输出波形频率小于10KHz时,误差仅为0
15、.8%。图2-2-1 ICL8038内部框图其中,振荡电容C由外部接入,它是由内部两个恒流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
16、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。图2-2-2 ICL8038管脚图图2-2-2为ICL8038的管脚图,下面介绍各引脚功能。脚1、12(SineWaveAdjust):正弦波失真度调节;脚2(SineWaveOut):正弦波输出;脚3(TriangleOut)
17、:三角波输出;脚4、5(DutyCycleFrequency):方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节;脚6(V):正电源10V18V;脚7(FMBias):内部频率调节偏置电压输;脚8(FM Sweep):外部扫描频率电压输入;脚9(SquareWaveOut):方波输出,为开路结构;脚10(TimingCapacitor):外接振荡电容;脚11(V orGND):负电原或地;脚13、14(NC):空脚。图2-2-3 ICL8038组成的音频函数发生器图2-2-4 ICL8038函数发生器电路通过调节RV2的位置,即可调节函数发生器的输出震荡频率的大小图2-2-5 仿真波形图2.3 基于
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