有源信号发生器设计

1/22电子技术综合训练设计报告题目：信号发生器的制作姓名：张亚东学号：11220502班级：控制工程基地一班同组成员：苏文卿指导教师：李恒杰老师日期：2/22一摘要：对于电子学领域的产品，如诸如电话、电视机、收音机，都需要各种波形发生器，多种波形发生器可以说是电子领域最基础，最实际，最广泛的器材，本次设计的多种波形发生器需要用市电供电，产生方波、正弦波、三角波，输出波形可选择，频率可调，并且可以显示频率。电路采用变压整流滤波稳压电路来转换电压，用ICL8038函数发生芯片或者使用多种运算电路来产生三种波形来产生三种波形，经过反复修改测试，电路已经基本达到了要求。关键字：波形发生器；频率可调；3/22目录1设计任务和要求…………………………………………………………41.1设计任务……………………………………………………………41.2设计要求…………………………………………………………….42系统设计…………………………………………………………………52.1系统要求…………………………………………………………….52.2方案设计……………………………………………………………62.3系统工作原理……………………………………………………….63单元电路设计……………………………………………………………73.1单元电路A(正弦波的产生电路)……………………………………73.1.1电路结构及工作原理……………………………………………73.2单元电路B(方波的产生电路)……………………………………83.2.1电路结构及工作原理…………………………………………83.2单元电路C(三角波的产生电路)……………………………………93.2.1电路结构及工作原理…………………………………………93.2单元电路D(波形的放大电路)……………………………………113.2.1电路结构及工作原理…………………………………………113.2单元电路E(电子开关的设计)……………………………………123.2.1电路结构及工作原理…………………………………………124电路元器件的选择…………………………………………………135电路仿真……………………………………………………………………146电路安装、调试与测试……………………………………………………186.1电路安装………………………………………………………………196.2电路调试………………………………………………………………207器件列表……………………………………………………………………208总结、体会和建议…………………………………………………………214/22一．设计任务和要求题目名称：信号发生器制作一、设计内容及技术要求：设计并制作一个信号发生器，基本要求如下：1、能够输出正弦波、方波、三角波，输出信号能够在这三种信号中通过电子开关（非机械开关）进行选择，电子开关由按键控制，并且能够对选择的信号用发光二极管指示；2、输出信号频率范围为100HZ---10KHZ；3、输出信号幅值在0.1---5V之间可调；4、电源：220V/50HZ的工频交流电供电；（注：直流电源部分仅完成设计即可，不需制作，用实验室提供的稳压电源调试，但要求设计的直流电源能够满足电路要求）5、按照以上技术要求设计电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim或OrCAD/PspiceAD9.2进行仿真，用万用板焊接元器件，制作电路，完成调试、测试，撰写设计报告。发挥部分：1、输出信号幅度调节方式为数控方式，并且能够用LED进行档位显示；2、测量信号的频率并指示；3、其它恰当的功能。二、提交成果：1、设计报告2、作品3、电路原理图：要求提交两份，一份为CAD/EDA软件绘制，另一份为手工绘制，图纸大小自定，但要符合标准，电路图绘制要规范。三、设计进度：1、时间：三周2、进度安排：（1）第一周选题，熟悉题目，分析要求，查找资料，选择方案，优化方案，确定原理方框图，单元电路设计，选择元器件；（2）第二周进行电路仿真，确定电路原理图，画出电路原理图，购买元器件，焊接电路；（3）第三周电路调试，电路测试，绘制电路原理图，完成设计报告，答辩。5/22二．系统设计1.设计要求：1、能够输出正弦波、方波、三角波，输出信号能够在这三种信号中通过电子开关（非机械开关）进行选择，电子开关由按键控制，并且能够对选择的信号用发光二极管指示；2、输出信号频率范围为100HZ---10KHZ；3、输出信号幅值在0.1---5V之间可调；2.方案设计：方案1：利用文氏桥振荡电路产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波转换成方波，最后用积分电路将方波转换成三角波。原理框图如图4。图4方案1波形发生转换电路该方案结构简单，具有较好的正弦波和方波信号，但要通过积分电路产生同步的三角波电路，存在一定的困难。原因是积分电路的积分常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出三角波幅度将同时改变，若要保持三角波输出幅度不变，则须同时改变积分时间常数的大小。方案2：先产生方波，再将方波变成三角波，再将三角波通过差分放大器产生正弦波为了电路的设计方便，连接方便，本次课程设计采用方案一。积分电路文氏桥振荡电路方波产生电路555多谐振荡器积分电路低通滤波器6/22方案3：采用单片函数发生器芯片ICL8038，可以灵活组成各种波形发生电路，并且频率可以方便调节，电路结构简单，便于仿真调试。仿真原理图如图图6波形发生电路原理图图中，ICL8038的6管脚接直流10V电压，当开关SW2拨到C4时，调整滑动变阻器RW可实现输出波形频率在1~100Hz范围内连续变化。将开关SW2拨到C2，可实现频率在100~500范围内变化。ICL8038的9、2、3管脚分别输出占空比为1/2的方波、正弦波、三角波，通过改变波形选择开关可选择波形。另外，调节RW1可调整正弦波的失真度，保证正弦波的无失真输出为了满足本次设计的要求。我组最终选择了方案一进行设计与制作3.12V直流稳压电源的设计：根据设计需要，要把市电(220V，50Hz)转换为12V的直流电压，直流稳压电源原理框图如图2所示。7/22图2直流稳压电源原理框图直流稳压电源是提供直流电压的电源设备，主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路组成。根据框图，在母体Mutisium中用分立元件搭建的仿真图如图3。图3直流稳压电源仿真图图中整流部分是单相桥式整流电路，滤波部分为电容滤波电路，稳压部分为串联稳压芯片ADJ，并由三个电压表分别测量输入市电电压、副线圈两端电压和输出端电压。六．系统工作原理3.1正弦波发生电路的工作原理工作原理图如下：10V220V50Hz电源变压器整流电路滤波电路稳压电路8/22原理如下：如图2所示，正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频率网络组成。RC串联臂阻抗为Z1，RC并联臂阻抗为Z2，通常要满足R1=R2，C1=C2，其频率特性分析如下：)/1(111jwCRZ，)1/()/1(22222CjwRRjwCRZ反馈网络的反馈系数2222)(31)(sRCsRCsRCZZZsFv因s=jw，令w0=1/RC，则反馈系数为)(3100幅频特性表达式为2002)(31当w=w0=1/RC时，幅频响应有最大值Fvmax=1/3。9/22此时相频响应为o0f。这样RC串并联选频网络送到运算放大器同相输入端的信号电压与输出电压同相，即nfA2，RC反馈为正反馈，满足相位平衡，可能产生振荡。调节RC的参数时可实现频率谐振，在频率谐振过程中，电路不会停止振荡，也不会使输出幅度改变。因此该选频网络决定信号发生器的输出信号频率。本次采用RC正弦波振荡器，可产生7Hz至16KHz的低频信号，满足设计要求。3.2正弦波—方波转换电路的工作原理工作原理图如下：原理如下：10/22R6、D3、D4为输入保护电路，R6为限流电阻，防止R6过大时损坏运放器；D3、D4为输入保护二极管，限制输入电压幅度。输出回路R7为限流电阻，D6D7稳压二极管，完成输出电压双向限幅，由正弦波转换为方波的电路原理为，将输入的正弦波信号通过一个电压比较器，则可以将正弦波转换为方波信号。因此，当输入电压Vi为正弦波信号时，经比较器变换，输出Vo为方波信号。3方波—三角波转换电路的工作原理工作原理图如下:原理如下：11/22如图5，利用虚短和虚断两条法则求Vo和Vi的关系，有：0PNVVdtdvCdtVdCdtdvCiCC)0(0（R为R8C为C3）有节点电流法可知CRiidtdvCRVi0dtvRCvi10，表明v0与vi为积分关系。因此，若积分器输入为方波，其输出波形即为三角波，如图所示：，在实际电路中，通常在积分电容C3L两端并联反馈电阻Rf即积分电路中的R10用作直流负反馈，目的是减少集成运算放大器输出端的直流漂移。但是RfC＞＞R8C.C太小，会加剧积分漂移，若C增大，电容漏电也随之增大。通常取Rf＞10R8,C≤1uF(涤纶电容或聚苯乙烯电容)。4波形调幅的设计实验要求波形幅值可以在0.1~5v之间调节，为达到此要求，本次设计采用比例放大器对最终信号进行比例放大，则最终的信号的大小可调，比例放大器的原理图如下：12/22本设计采用的是反相比例放大器，输入电压通过R2作用于集成运放的反相输入端，故输出电压与输入电压反相。同相端通过R3接地，R3为补偿电阻，保证集成运放输入差分放大电路的对称性，电路放大关系为：Uo=(1+R1/R2)Ui5电子开关的设计和选择本次设计的电子开关的设计，可以选用市售的4052四选一模拟开关，也可以选用市售的4051八选一模拟开关，满足本次设计得理想开关为4052四路选一模拟开关，点由于本次采购只买到了4051型八选一模拟开关，故改选用4051，八路选一模拟开关。器件参数给出如下：CD4051/CC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有A、B和C三个二进制控制输入端以及INH共4个输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰峰值至20V的模拟信号。例如，若VDD=+5V，VSS=0，VEE=-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。当INH输入端=“1”时，所有的通道截止。只有当INH=0时，三位二进制信号才可以选通8通道中的一个通道，连接该输入端至输出。其中VEE可以接负电压，也可以接地。当输入电压有负值时，VEE必须接负电压，13/22其他时候可以接地。4051引脚说明如下：CD4051引脚功能说明引脚号符号功能124512131415IN/OUT输入/输出端91011ABC地址端3OUT/IN公共输出/输入端6INH禁止端7VEE负电压端8Vss数字信号接地端16VDD电源+4051真值表如下：INHCBA输出0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1xxx均不接通14/226电路参数的计算及选择七．对正弦波发生电路：振荡频率RCf210，10Hzf010KHz,取C=1uF，则R取值为15.9至15.9K，R可取20K电位器。起振幅值条件3484RRRA,即248RR，R8取6k，仿真时实际取R4=3.3kΩ稳幅部分采用常见的1N4001反向并联连接，输出端用1kΩ电阻限流。（2）对正弦波—方波转换电路：输入端保护限流电阻R3选择1K，限制电压输入幅度同样采用二极管1N4001反向并接，输出端限流电阻选用20K电位器，Dz选用RD15稳压管反向串联，电压幅度限制在±Vz。（3）对方波—三角波转换电路：C3采用1uF，R10采用1KΩ，31071CRR=900Ω三．总原理图：15/22八．电路的仿真本次设计采用Multisim软件进行仿真，在Multi