正弦波-方波-三角波信号发生器设计

苏州科技学院天平学院模拟电子技术课程设计指导书课设名称正弦波－方波－三角波信号发生器设计组长李为学号1232106101组员谢渊博学号1232106102组员张翔学号1232106104专业电子物联网指导教师二〇一二年七月模拟电子技术课程设计指导书一设计课题名称正弦波－方波－三角波信号发生器设计二课程设计目的、要求与技术指标2.1课程设计目的（1）巩固所学的相关理论知识；（2）实践所掌握的电子制作技能；（3）会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试,进一步完善理论设计；（4）通过查阅手册和文献资料,熟悉常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用元器件的原则；（5）掌握模拟电路的安装\测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法,能力分析实验中出现的正常或不正常现象(或数据)独立解决调试中所发生的问题；（6）学会撰写课程设计报告；（7）培养实事求是,严谨的工作态度和严肃的工作作风；（8）完成一个实际的电子产品，提高分析问题、解决问题的能力。2.2课程设计要求（1）根据技术指标要求及实验室条件设计出电路图，分析工作原理，计算元件参数；（2）列出所有元器件清单；（3）安装调试所设计的电路，达到设计要求；2.3技术指标（1）输出波形：方波－三角波－正弦波；（2）频率范围：100HZ~200HZ连续可调；（3）输出电压：正弦波-方波的输出信号幅值为6V.三角波输出信号幅值为0~2V连续可调；（4）正弦波失真度：%5。三系统知识介绍3函数发生器原理本设计要求产生三种不同的波形分别为正弦波\方波\三角波。实现该要求有多种方案。方案一：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。方案二：首先产生方波——三角波，再将方波变成正弦波或将三角波变成正弦波。3.1函数发生器的各方案比较我选的是第一个方案，上述两个方案均可以产生三种波形。方案二的电路过多连接部方便而且这样用了很多元器件，但是方案的在调节的时候比较方便可以很快的调节出波形。方案一电路简洁利于连接可以节省元器件，但是在调节波形的时候会比较费力，由于整个电路时一起的只要调节前面部分就会影响后面的波形。四电路方案与系统、参数设计4.1基于集成运算放大器与晶体管差分放大器的函数发生器4.1.1设计思路我们组总体设计思路为：先通过比较器产生方波，方波通过积分器产生三角波，三角波通过差分放大器产生正弦波。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。4.1.2工作原理4.1.2.1方波产生电路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。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R1对电容C1正向充电，如图中实线箭头所示。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R1对电容C1反向充电，如图中虚线箭头所示。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，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。4.1.2.2方波——三角波转换电路的工作原理4.1.2.3正弦波——方波转换电路的工作原理4.1.3元器件与参数设计1、从电路的设计过程来看电路分为三部分：①方波部分②三角波部分③三角波部分正弦波部分2、方波部分与三角波部分参数的确定由442314()1PPRRRCTRRf,可见f与c成反比，若要得到100Hz~200Hz,C为0.1F。3.正弦波-方波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下：2231OmCCRUVRRP，R2/(R3+RP1)=U02M/VCC=6/12=1/2;210RK,则(R3+RP1)=20KΩ,取R3=10KΩ,RP1为47KΩ的电位器，取平衡电阻R1=R2//(R3+RP1)=7KΩ,由式3124224()RRPfRRRPC,即3141224RRPRRPRC。当100HZf200HZ时，取C2=0.1uf，42(75~7.5)RRPk，取平衡电阻542()10pRRRk。231pRVVRR三角方波，由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为2V，6V，有2=231pRRR6231pRRR=1/3取R2=20KΩ，1pR≈47k，R3=20K三角波—正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取345470CCCF，滤波电容6C视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C可取得较小，6C一般为几十皮法至0.1微法。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为几种由内部供给偏置电压调节的接线图。图3ICL8038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）。4.2.3.1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4正弦波失真度调节电路4.1.4仿真结果与分析（1）正弦波---方波转换电路的仿真（2）方波---三角波发生电路的仿真（3）总电路的仿真4.1.5器件清单表元器件名称个数型号主要参数集成运放1LM358集成芯片1ICL8038可调电阻220k,100k电阻8R22k,1k,62k,10k,0.1k电容4C470nF,10nF直流稳压电源1±12V,±5V4.2ICL8038元器件的函数发生器ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需调整个别的外部组件就能产生从0.001HZ～300kHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调频信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制。icl8038中文资料ICL8038的主要特点:(1)可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等。(2)频率范围:0.001HZ～300kHz(3)占空比范围:2%～98%(4)低失真正弦波:1%(5)低温度漂移:50ppm/℃(6)三角波输出线性度:0.1%(7)工作电源:±5V～±12V或者+12V～+25V图1ICL8038的引脚功能排列图图2ICL8038内部电路方框图由图2可知,该芯片由三角波振荡电路、比较器1、比较器2、触发器、三角波—正弦波变换电路、恒流源CS1、CS2等组成。恒流源CS1、CS2主要用于对外接电容C进行充电放电,可利用4、5脚外接电阻调整恒流源的电流,以改变电容C的充放电时间常数,从而改变10脚三角波的频率。两个比较器分别被内部基准电压设定在23Vs与13Vs。使两个比较器必须在大于23Vs或小于13Vs的范围内翻转。其输出同时控制触发器,使其一方面控制恒流源CS2的通断,另一方面输出方波经集电极开路缓冲器,由9脚输出方脉冲,而10脚经缓冲器直接由3脚输出三角波,另外还经三角波—正弦波变换电路由2脚输出低失真正弦波。外接电容C由两个恒流源充电和放电。若S断开,仅有电流I1向C充电,当C上电压上升到比较器1的门限电压23Vs时,触发器输出Q=1。开关S导通,CS2把电流I2加到C上反充电,当I2I1时,相当于C由一个净电流I2-I1放电,此时C上电压逐渐下降,当下降到比较器2的门限电压13Vs时,R·S触发器被复位,Q=0,于是S断开CS2,仅有CS1对C充电,如此反复形成振荡,C上电压近似为三角波,而触发器输出则为方波。当两个电流源CS1、CS2的电流分别设定为I、2I时,电容C上的充电、放电时间相等,则10脚三角波以及变换的正弦波就是对称的,方波的占空比是50%。若恒流源CS1、CS2的电流不满足上述关系,则3脚输出非对称的锯齿波,2脚输出非对称的正弦波,9脚输出占空比为2%～98%的脉冲波形。另外改变恒流源I的大小,即可改变振荡信号的频率。