函数信号发生器的设计

沈阳航空航天大学课程设计任务书课程名称电子线路课程设计课程设计题目函数信号发生器的设计课程设计的内容及要求：一、设计说明与技术指标1．设计能产生正弦波等波形的函数信号发生器，2．信号频率范围：1Hz∽100kHz；3．输出波形要求①正弦波谐波失真度≤2%；②方波上升沿和下降沿时间不得超过200nS，占空比在48%∽50%之间；4．输出信号幅度范围：0∽20V；二、设计要求1．在选择器件时，应考虑成本。2．根据技术指标，通过分析计算确定电路和元器件参数。3．画出电路原理图（元器件标准化，电路图规范化）。三、实验要求1．根据技术指标制定实验方案；验证所设计的电路，用multisim软件仿真。2．进行实验数据处理和分析。四、推荐参考资料1.童诗白，华成英主编．模拟电子技术基础．[M]北京：高等教育出版社，2006年2.阎石，数字电子技术（第五版）．[M]北京：高等教育出版社，2005.3.陈孝彬《555集成电路实用电路集》高等教育出版社2002-84.王刚《TTL集成电路应用》机械工业出版社2000-10五、按照要求撰写课程设计报告成绩评定表：序号评定项目评分成绩1设计方案正确，具有可行性，创新性（15分）2设计结果可信（例如：系统分析、仿真结果）（15分）3态度认真，遵守纪律（15分）4设计报告的规范化、参考文献充分（不少于5篇）（25分）5答辩（30分）总分最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字：年月日1一、概述函数信号发生器在生活中很常见，在许多领域都要用到。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、中频信号发生器、高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。在本设计中采用分立元件达成非稳态的多谐振荡器、然后根据具体需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。二、方案论证本设计的任务指标：1.设计能产生正弦波等波形的函数信号发生器；2.信号频率范围：1Hz~100kHz；3.输出波形要求(1)正弦波谐波失真度=2%;(2)方波上升沿和下降沿时间不得超过200nS，占空比在48%~50%之间；4.输出信号幅度范围：0~20V；方案一：采用分立元件构成。先用RC桥式振荡电路产生正弦波，通过RC分别接不通的值产生不同频率的正弦波，由于产生的正弦波幅值较小，所以接一个电压放大器对幅度进行放大，实现幅度范围的可调，再接入一个电压比较器，把正弦波变为占空比可调的方波，最后对方波进行整形，使波形更加理想。方案一原理框图如图1所示。2图1函数信号发生器电路的原理框图方案二：用单片函数发生器ICL8038组成多功能信号发生器方案二是由波形发生集成器件和少部分元器件组成的信号产生电路，随着集成制造技术的不断发展，信号发生器已被制造成专用集成电路。采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器741、单片函数发生器模块ICL8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。采用波形发生专用芯片采用ICL8038,该芯片主要有以下一些优良特性:它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，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、高线性度三角波和低失真度正弦波；在温度发生变化时产生低的频率漂移；工作变化周期宽，占空比可调，高的电平输出范围，易于使用等特点。且具有电源电压范围宽、稳定度高、精度高等优点本设计采用波形发生专用芯片相结合实现函数信号发生器，具有较强的实用性。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。其输出频率能在1Hz-100kHz范围内连续调整，达到调试简单、性能稳定、使用方便等优点，使信号发生器电路大大简化分析以上两种方案，比较他们的利弊，方案二集成电路比分立元件要简单很多，精度也较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，但由于频率与占空比不能单独调节，并且实验条件不允许，元件相对较贵，必须考虑成本。而方案一集成运放等分立元件性价比较高，且由分立元件构成的信号发生电路直观易懂。并且比较贴合我们目前所学的知识，所以选择方案一。三、电路设计1.RC桥式振荡电路RC振荡电路电压放大器电压比较器施密特触发器产生正弦波对波形放大转换成方波对方波整形3由于RC桥式电桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路，所以我们采用RC桥式电桥振荡器产生正弦波。RC正弦波振荡电路要提高其振荡频率，必须减小R和C的值，放大器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出频率不稳定。所以一般产生1MHZ以下的正弦波，满足条件。原理图如图2所示。RC串并联选频网络接在运算放大器的输出端和同相输入端之间，构成正反馈，R3、R8接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，构成负反馈。正反馈电路和负反馈电路构成一桥式电桥电路，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以，把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。振荡信号由同相端输入，故构成同相放大器，输出电压Uo与输入电压Ui同相，其闭环电压放大倍数等于Au=Uo/Ui=1+(R8/R3)。RC串并联选频网络在ω=ωo=1/RC时，Fu=1/3,εf=0°，所以，只要|Au|=1+(R8/R3)3,即R82R3,振荡电路就能满足自激振荡的振幅和相位起振条件，产生自激振荡，振荡频率f等于f=1/2πRC。在图2中，R8=10.2kΩ，R3=5kΩ，R82R3，满足自己振荡条件。在满足自激条件的前提下，R8越小，正弦波失真越小，所以可以尽量减小R8来满足正弦波谐波失真度小于2%的条件。为了使输出幅度比较稳定，在R3回路串联两个并联的稳压管D1、D2，以及在输出加入了R4、R5、R6、R7组成非线性环节，使输出电压更加稳定。图2RC桥式振荡电路电压放大器4在本设计中，要求频率在1HZ~100kHZ可调，由RC振荡电路f=1/2πRC可得，令R=158kΩ，即R1=R2=158kΩ，则由公式，当电容C选择不同的数值时，频率可变为不同的数值，如图2，当连接不同的可变电容时，可以对正弦波频率进行粗调，对可变电容的值进行变化，可以实现正弦波频率的细调，由此实现了频率在范围内的分段可调。由于RC串并联电路中的RC应该保持一致，根据计算得，当开关组接C1=C4=100pF时频率可调范围是10k~100kHZ,当接C3=C5=100nF时频率可调范围是10~1kHZ，当连接C2=C7=1nF时，频率可调范围是1k~10kHZ,当连接C6=C8=1uF时，频率可调范围是1~10HZ，由此实现了频率在范围内可调。2.电压放大器电路电路如图3所示。放大电路可对输入信号的幅值进行放大，放大倍数为N=(R9+R10)/R10。由于R9为滑动变阻器，可以调节阻值，所以放大倍数可以随阻值的变化而变化，间接实现了输出信号的幅度范围可调。图3电压放大器RC振荡电路电压比较器53.电压比较器电路电路如图4所示图4电压比较器电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。在本设计中，电压比较器可以将输入信号转变为方波，并且输出频率与输入频率一致，是理想的方波产生电路，可以很好的满足本设计的要求。比较器采用了滑动变阻器，方便调节方波的占空比，占空比=R11/(R11+R12)，R11为滑动变阻器，改变R11的阻值，可调节占空比，满足本设计要求占空比48%~50%的指标。在电压比较器后接入施密特触发器，使产生的方波更加理想。四、性能测试1.RC振荡电路的测试当开关接通C3、C5，调节可变电容令C3=C5=4nF时，因为选择了R1=R2=158kΩ，由f=1/2πRC得，此时频率应为250HZ。产生的波形结果如图5所示。仿真结果为频率为251HZ，如图6所示，与预期基本一致，且产生的正弦波波形较为理想。所以此RC振荡电路性能合格。示波器电压放大器6图5电容选择4nF时产生的正弦波图6电容选择4nF时正弦波的频率此时正弦波的谐波失真度如图7所示。图7频率251HZ时的谐波失真度7为了测试RC振荡电路的频率可调性，令开关接通可变电容C1、C4，调节可变电容令C1=C4=100pF，因为选择了R1=R2=158kΩ，由f=1/2πRC得，此时频率应为10kHZ。波形仿真结果如图8所示。仿真结果频率为9.9kHZ，如图9所示。与预期基本一致。图8电容选择100pF时产生的正弦波图9电容选择100pF时正弦波的频率此时谐波失真度如图108图10频率为9.9kHZ时的谐波失真度由仿真结果可得，正弦波可正常产生并且范围可调，电路符合要求。并且正弦波的谐波失真度满足谐波失真度=2%的条件，符合指标。2.放大电路测试采用RC振荡电路测试中图5所示的251HZ频率进行测试，未放大前幅值为2.8V，放大5倍后应为14V，在仿真中选择滑动变阻器为40kΩ，则放大倍数为N=(40+10)/10=5，仿真结果如图11所示。仿真中放大后幅值为13.8V，与预期基本一致，符合要求。图11放大电路仿真结果3.电压比较电路测试依旧选择图5所示251HZ频率进行测试，令R11=10kΩ，因为R12=10kΩ，则占空比=R11/(R11+R12)=10/(10+10)=50%，仿真结果如图12所示，产生了频率与输入一致的理想方波，电路符合预期结果。9图12电压比较器仿真结果方波的上升沿下降沿时间如图13所示。图13方波的上升沿下降沿时间方波上升沿下降沿时间为800ps，满足指标要求小于200ns的条件。综上，由RC振荡电路测试，电压放大电路测试，电压比较电路测试结果得，本设计所要求的指标均已满足，所以此设计方案可行。10五、结论历经千辛万苦，终于完成了这次的课程设计，我完成的速度比较慢，大概是模电的知识都忘的差不多了，所以设计起来，需要从书开始看起，看了也不是很懂，从而降低了速度。在这次实习中，我主要是通过网络资源来解决问题的，虽然在设计的结果没有那么好，但至少还是完成了。而这也是我高兴了，毕竟通过自己的努力去完成一件事，可以体现自己的价值。在这次实习中，又让我再一次感到，原来理论和实践是有区别的，如果不能把自己的理论知识，运用于实践当中，我们所学的东西，也毫无用武之地。心里还是有一点成就感，通过这次课程设计，自己学会了很多，增加了自己对模电的认识，以及对一些电路元件的认识，这次设计还使我认识到，电路设计需要耐心，需要一种整体的思维，而且遇到点问题很正常，关键要学会分析问题，善于解决问题，很多东西要弄懂弄透，不断积累经验。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手设计才会有深刻理解。能够完成这次的课程设计，我认为离不开同学们的帮助，在课设过程中，我也遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。经过反复选择、参考教科书和同学的帮助，把问题一一解决了。课设中暴露出我在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态。知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次设计必将成为我人生旅途上一个非常