函数信号发生器_电子线路课程设计_doc

1电子线路课程设计——函数信号发生器电气与信息工程系电子信息工程技术班级：电信0801班设计人：唐淋学号：08400230137指导老师：雷美艳老师同组搭档：胡桂彪刘忠2前言近这些年来，计算机技术进入了前所未有的快速发展时期。而特别高集成电路作为一个子系统的应用，发展更是迅速，已成为新一代电子设备不可缺少的核心部件，其在现实生活中的运用也是非常普遍。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。在日常维修、教学和科研中，函数信号发生器也是不可缺少的工具。而在我们生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。函数发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。但市面上能看到的电子仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种高精度、宽频带，能产生多种波形并具有程控等多功能函数发生器成为可能。随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类益增多，性能日益提高，尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外还带有IEEE-488或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。我们长期使用的信号发生器，大部分是由模拟电路构成的，这类仪器作为信号源，频率可达上百MHz，在高频范围内其频率稳定性高、可调性好。但用于低频信号输出时，它所需要的RC值很大，参数准确度难以保证。而且其体积大，可靠性差，准确度低，损耗也大。随着大规模集成电路技术的发展，集成度不断提高，使得微型机的速度和性能大为提高，可靠性增加，成本降低。本课题设计使用的是以ICL8038集成块为核心器件构成的发生器，ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等多种波形。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制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。3目录第1章模电课程设计任务书……………………………………………51、1设计任务…………………………………………………………51、2设计目的…………………………………………………………51、3设计要求与技术指标……………………………………………5第2章简易函数发生器的说明…………………………………………6第3章问题的分析与方案论证…………………………………………63、1〖模型一〗………………………………………………………63、2〖模型二〗………………………………………………………73、3〖模型三〗………………………………………………………73、4〖模型四〗………………………………………………………8第4章理论分析与设计方案的建立……………………………………84、1ICL8038的工作原理……………………………………………84、2ICL8038组成函数发生器的应用………………………………9第5章电路设计说明……………………………………………………105、1电路设计图……………………………………………………………105、2电路PCB图……………………………………………………………115、3原理说明………………………………………………………………115、4电路参数的选择………………………………………………………125、5电路的EDA实现及仿真分析…………………………………………124第6章电路的调试与检测………………………………………………146、1电子安装的检查…………………………………………………146、2通电观察…………………………………………………………146、3单元电路调试……………………………………………………146、4动态调试…………………………………………………………146、5调试中注意的事项………………………………………………15第7章实验数据及其分析………………………………………………16第8章元件清单………………………………………………………17第9章模型的评价与改进………………………………………………17第10章实验设计总结与体会……………………………………………18附录APCB板的制作…………………………………………………19附录B焊接技术………………………………………………………20参考文献5第1章电子线路课程设计任务书1、1设计任务1、进行设计方案的比较，并选定设计方案；2、完成电路的设计和主要元器件说明；3、完成硬件原理图设计和PCB图设计；4、安装各单元电路,要求布线整齐,美观。1、2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、3设计要求与技术指标1、设计要求A、电路能输出正弦波（选做）、方波（必做）和三角波（必做）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。扩展要求：输出信号的幅度和频率要求连续可调，幅度范围为0-5V，频率范围100Hz-10KHz。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（选做）；方波Tr小于30uS。6第2章简易函数发生器的说明函数信号发生器，也叫简易信号发生器，它能输出稳定的正弦波、三角波、方波，且输出频率在100Hz～1KHz范围内连续可调,输出电压幅度在0~5V连续可调，由正负12V直流稳压电源供电。它由震荡电路，比较器，积分器，反向器等基本电路组成的，通过调节电容或者电阻改变波形的频率和幅值。本课题设计对函数发生器的几个设计方案进行了分析比较，最终采用芯片ICL8038构成函数信号发生器电路，741构成功率放大电路可同时输出符合要求的方波、三角波和正弦波，频率调节范围大，正弦波失真小，制作简单，价格低廉，使用方便。关键词：ICL8038，波形，原理图，信号发生器，波形调整。第3章问题的分析函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形，其电路中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），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ICL8038）。所以可确定多种方案。3、1〖模型一〗此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；由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：dtvRCdtiCvio11显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。文氏电桥正弦波比较器积分器方波三角波73、2〖模型二〗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。由积分器和比较器同时产生三角波和方波。其中比较器起电子开关的作用，将恒定的正、负极性的电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。该电路的优点是：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，而且频率改变时，幅度恒定不变；③不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形；④三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。3、3〖模型三〗用单片集成芯片IC8038实现，此方案要求幅度和频率都可调，可由数字电位器加程控放大器实现。它是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波，方波，三角波和锯齿波，其震荡频率可以通过外加电压进行调节，又称压控集成信号产生器。利用8038芯片的优点是十分明显如下①、集成度比较高，输出稳定，②、构成的电路简单，所用的元件少，经济实惠。③、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。④、具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；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。三角波积分器比较器反馈方波83、4〖模型四〗用单片机和A/D转换器实现，编写相应的程序即可实现。如采用一片AT89S51单片机和DAC0832数模转换器组成的智能数字式低频信号发生器。按用户的需要，选择运行不同的程序，将会得到不同的波形信号。再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路以及放大整形电路，就完成了一个频率可调的多功能信号发生器的设计。考虑到实验电路的简单及其稳定性，我们用集成芯片IC8038来实现信号发生器的设计。第4章理论分析与设计方案的建立4、1IC8038的工作原理采用8038集成电路，它的内部结构和外观图如下面图一和图二所示，图3-1ICL8038内部原理电路框图9图3-28038管脚图管脚说明：1.正弦波线性调节；2.正弦波输出；3.三角波输出；4.恒流源调节；5.恒流源调节；6.正电源；7.调频偏置电压；8.调频控制输入端；9.方波输出（集电极开路输出）；10.外接电容；11.负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14.空脚在图一中，由手册和有关资料可看出，IC8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器①等组成。电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（其中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Q端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vC≤VR/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。当I1I22I1时，VC的上升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。4、2ICL8038组成函数发生器的应用由图3-2可见，管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是(VCC+VEE/5)，它可作为管脚8的输入电压。此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用左右，如图3-3所示。当电位器Rp1动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角