正弦波-方波-三角波信號發(fā)生器設計說明書

.../XX科技學院天平學院模擬電子技術課程設計指導書課設名稱正弦波－方波－三角波信號發(fā)生器設計組長李為學號1232106101組員謝淵博學號1232106102組員張翔學號1232106104專業(yè)電子物聯(lián)網(wǎng)指導教師二〇一二年七月模擬電子技術課程設計指導書一設計課題名稱正弦波－方波－三角波信號發(fā)生器設計二課程設計目的、要求與技術指標2.1課程設計目的鞏固所學的相關理論知識；實踐所掌握的電子制作技能；會運用EDA工具對所作出的理論設計進行模擬仿真測試,進一步完善理論設計；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；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)的正常或不正?，F(xiàn)象<或數(shù)據(jù)>獨立解決調(diào)試中所發(fā)生的問題；學會撰寫課程設計報告；培養(yǎng)實事求是,嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和嚴肅的工作作風；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課程設計要求根據(jù)技術指標要求及實驗室條件設計出電路圖,分析工作原理,計算元件參數(shù)；列出所有元器件清單；安裝調(diào)試所設計的電路,達到設計要求；2.3技術指標輸出波形：方波－三角波－正弦波；頻率范圍：100HZ~200HZ連續(xù)可調(diào)；輸出電壓：正弦波-方波的輸出信號幅值為6V.三角波輸出信號幅值為0~2V連續(xù)可調(diào)；正弦波失真度：。三系統(tǒng)知識介紹3函數(shù)發(fā)生器原理本設計要求產(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?。函?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)設計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設計思路我們組總體設計思路為：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—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,通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設某一時刻輸出電壓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隨時間逐漸增長而減低,當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。上述過程周而復始,電路產(chǎn)生了自激振蕩。4.1.2.2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理4.1.2.3正弦波——方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理元器件與參數(shù)設計從電路的設計過程來看電路分為三部分：①方波部分②三角波部分③三角波部分正弦波部分方波部分與三角波部分參數(shù)的確定由,可見f與c成反比,若要得到100Hz~200Hz,C為0.1。正弦波-方波部分比較器A1與積分器A2的元件計算如下：,R2/<R3+RP1>=U02M/VCC=6/12=1/2;,則<R3+RP1>=20KΩ,取R3=10KΩ,RP1為47KΩ的電位器,取平衡電阻R1=R2//<R3+RP1>=7KΩ,由式,即。當100HZ<f<200HZ時,取C2=0.1uf,,取平衡電阻。,由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為2V,6V,有2=6=1/3取R2=20KΩ,≈47k,R3=20K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,因為輸出頻率很低,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。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。圖3ICL8038典型應用在以上應用中,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、RB和C決定,其頻率為F,周期T,t1為振蕩電容充電時間,t2為放電時間。

T＝t1＋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·RA>/<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／I＝〔C＋1／3·VCC／〔2／5·VCCRB－1／5·VCC／RA

＝〔3／5·RA＊RB·C／〔2RA－RB

f＝1／〔t1＋t2＝3／｛5RAC［1＋RB／〔2RA－R］｝

對圖3〔a中,如果RA＝RB,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置的。圖4為一個調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度的典型應用,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,在實際應用中,兩只100K的電位器應選擇多圈精度電位器,反復調(diào)節(jié),可以達到很好的效果。圖4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〔3總電路的仿真4.1.5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,±5VICL8038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0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波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

ICL8038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%

<5>低溫度漂移:50ppm/℃

<6>三角波輸出線性度:0.1%

<7>工作電源:±5V～±12V或者+12V～+25V

圖1ICL8038的引腳功能排列圖

圖2ICL8038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—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)部基準電壓設定在23Vs與13Vs。使兩個比較器必須在大于23Vs或小于13Vs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—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C上電壓上升到比較器1的門限電壓23Vs時,觸發(fā)器輸出Q=1。開關S導通,CS2把電流I2加到C上反充電,當I2>I1時,相當于C由一個凈電流I2-I1放電,此時C上電壓逐漸下降,當下降到比較器2的門限電壓13Vs時,R·S觸發(fā)器被復位,Q=0,于是S斷開CS2,僅有CS1對C充電,如此反復形成振蕩,C