简易信号发生器设计说明1

1第1章课程设计任务1．1设计目的1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术。2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。1．2设计技术指标与要求1．2．1设计要求基本要求：A、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；B、输出信号的频率要求可调；C、拟定测试方案和设计步骤；D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；E、在面包板上或万能板上安装电路；F、测量输出信号的幅度和频率；H、写出设计性报告。１．2．2技术指标频率范围：100Hz-1KHz，1KHz-10KHz；输出电压：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P=1V；方波tr小于30uS。1．3设计提示方案提示：1、设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波。如下框图所示。2、用单片集成芯片IC8038实现，但这种方案要求幅度和频率都可调，可采用数字电位器加程控放大器实现。2第2章系统开发过程2．1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。2．2正弦波产生电路正弦波振荡电路的振荡条件：或AF=1在上式中，仍设aAA，fFF，则可得：1)(faAFAF，即1AFAF和nfa2，N=0,1,2···RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）图2.1为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。电路的振荡频率2πRC1fO起振的幅值条件1fRR≥2式中Rf＝RW＋R2＋（R3//rD），rD—二极管正向导通电阻。100XXXXXXfaaf3调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。如波形失真严重，则应适当减小Rf。改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。图2.1RC桥式正弦波振荡器2．3方波发生器由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。图2.2所示为由滞回比较器及简单RC积分电路组成的方波—三角波发生器。它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。电路振荡频率式中R1＝R1'＋RW'R2＝R2'＋RW方波输出幅值Uom＝±UZ三角波输出幅值调节电位器RW（即改变R2／R1），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。如要互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。Z212cmURRRU)R2RLn(1C2R1f12ffo4图2.2方波发生器2．4三角波和方波发生器如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图2.3所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。图2.4为方波、三角波发生器输出波形图。由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。图2.3三角波、方波发生器电路振荡频率fWf12O)CR(R4RRf方波幅值U′om＝±UZ三角波幅值Z21omURRU5调节RW可以改变振荡频率，改变比值21RR可调节三角波的幅值。图2.4方波、三角波发生器输出波形图2．5ICL8038芯片简介及典型应用--FSKICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。ICL8038芯片简介⑴性能特点具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；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；具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。⑵、管脚功能图2.5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）：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±10V～±18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏6图2.5ICL8038管脚图⑶、置电压输；脚8(FMSweep)：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。⑷、基本电路的工作原理：图2.6ICL8038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7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2／3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1／3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。正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。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N＝4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达0．5左右。其精度效果相当满意。8第3章设计与应用要点3．1函数信号频率和占空比的调节由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给，也可以由外部供给。图3.1为几种由内部供给偏置电压调节的接线图。图3.1ICL8038典型应用在以上应用中，由于第7脚频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定，其频率为F，周期T，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。T＝t1＋t2f＝1／T由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的1／3倍，分得的时间为t1=CV/I=(C+1/3·Vcc·RA)/(1/5·Vcc)=5/3RA·C在电容放电时，电压降到比较器输入电压的1／3时，分得的时间为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）］｝对图3（a）中，如果RA＝RB，就可以获得占空比为50％的方波信号。其频率f＝3／（10RAC）。93．2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4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，可以达到很好的效果。图3.2正弦波失真度调节电路3.3基于ICL8038的FSK调制电路该电路如图3.3所示．电路中稳压二极管的作用是将振荡频率根据需要设定一个中心频率点。电阻R1和1000PF的电容器用来减小扫描引起的占空比变化。利用8038压控振荡的功能，将数据信号通过运算放大器接到第8脚扫描控制端，振荡频率随着数据0电平和1电平而改变。图3.3ICL8038的FSK调制电路10在实验中，我们用6．2V稳压二极管设定中心频率，振荡电容值选择0．1μf，基带信号0和1电平值为TTL电平，速率为2400bps，经过本调制电路后测试，中心频率为1900Hz，0和1电平对应的输出信号频偏Δf＝±400Hz，其幅度没有发生变化，输出正弦波的失真度均不超过1．1％，说明扫描电压引起的失真变化非常小，基本没有寄生成分，输出0和1电平值与输出信号值的对应关系如表1所示。当码速提高到9600bps时，经过实验测试，输出正弦波信号的失真度已变差，所以用ICL8038构成的调制电路，其码速一般在4800bps以下。根据实验可知，利用此电路得到的FSK调制信号，其最低频率和最高频率可以依据具体实际情况在调制过程中改变，只需调整数据0电平值和1电平值的大小，就能改变FSK调制信号的频偏，而且调制信号幅度不受影响。经过实际验证，用ICL8038芯片制成的FSK调制电路,输出的正弦波的寄生调幅成分极小，其性能远比滤波法优越。又因采用了运算放大器使输入扫描电压（调制信号）相对于输出信号的线性度也得到很大改进，其输出信号正弦波的频率变化随输入扫描电压值线性变化，斜率为0．16Hz／mv。在应用ICL8038精密函数发生器设计、研制FSK调制器时，应注意以下两点：振荡电容器C的性能优劣，直接影响整个电路工作频率的稳定，在实验中，我们采用了性能稳定，温度系数小的金属化电容器，经测试，其输出函数信号的频率稳定度可达到10－3；由于RA和RB是决定输出信号占空比的关键元件，所以在实际使用中，尽量选择温度系数小，精度高的金属电阻和精密多圈电位器。表1“0”与“1”对应表数据信号电平值频率值码速00V1500Hz2400bps15V2300Hz11第4章提出解决问题的方案及选取4.1三角波变换成正弦波由运算放大器单路及分立元件构成，方波——三角波——正弦波函数发生器电路组成如图4.1所示，由于技术难点在三角波到正弦波的变换，故以下将详细介绍三角波到正弦波的变换。图4.14．1．1利用差分放大电路实现三角波——正弦波的变换波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图4.2所示。由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。图4.24．2用二极管及集成运放组成的函数发生器采用二极