函数信号发生器设计论文.

四川师范大学成都学院通信原理课程设计目录前言.....................................................................11函数信号发生器设计任务................................................11.1设计提议...........................................................11.2方案论证与研究.....................................................12方案设计..............................................................22.1项目指标...........................................................22.1.1电源参数.......................................................22.1.2工作频率.......................................................22.2方案比较及选择.....................................................23设计理论..............................................................33.1函数发生器的结构组成...............................................33.2方波信号...........................................................3如图3.2-1由运算放大器和电容积分电路、Rf组成的，输出电压最终反馈到运放反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。........................33.3正弦波信号.........................................................43.4三角波信号.........................................................64RC振荡电路设计........................................................75放大器功率及ICL8038介绍...............................................95.1放大器功率.........................................................95.2ICL8038原理介绍...................................................106致谢..................................................................117总结及体会............................................................12附录1系统原理图.......................................................13附录2系统元件清单.....................................................14附录3系统PCB图.......................................................15I四川师范大学成都学院通信原理课程设计参考文献................................................................16II四川师范大学成都学院通信原理课程设计函数信号发生器设计论文前言函数信号发生器的制作是以集成块ICL8038为核心器件，制作的成本也相对较低。是适合学生学习、使用电子技术测量。ICL8038可以输出具有多种波形的精密振荡集成电路，要想产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号只需要个别外部元件。输出波形的占空比和频率还可以由电阻或电流控制。其次由于此芯片具有调制信号的输入端，所以可以用作频率调制，针对于低频信号。函数信号发生器有着不同的用途，其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种或多种波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电路，如先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电路转化为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波或三角波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间可选性的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行的。1函数信号发生器设计任务1.1设计提议产品开发、工业生产、科学研究等领域都的使用函数信号发生器，它常用的基本测试信号有锯齿波和正弦波、矩形波、三角波。常作为时基电路的锯齿波信号在示波器等仪器中利用荧光屏显示图像。例如，想要通过示波器荧光屏上观察到被测不失真地信号波形，通过产生锯齿波电压使的电子束在水平方向匀速搜出荧光屏。方波，三角波都有着不同的重要作用，而函数信号发生器是指一种能自发的产生方波、正弦波、三角波和锯齿波阶梯波等电压波形的仪器或电路。因此，提议设计一种能产生三角波、正弦波、方波的函数信号发生器。1.2方案论证与研究函数信号发生器用途较多，其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种或多种波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电路，如先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电路转化1四川师范大学成都学院通信原理课程设计为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波或三角波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间可选性的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行的。2方案设计2.1项目指标2.1.1电源参数●输入：双电源+12V、-12v●输出：方波电压约等于12v，三角波电压与约等于5v，正弦波电压大于1v，幅度可连续调，线性失真就会较小。2.1.2工作频率频率范围：10HZ～100HZ,100HZ～1000HZ2.2方案比较及选择方案一：正弦振荡是由文氏电桥产生，然后得到方波，三角波是方波积分得到的。此方案结构简单，是一开环电路，产生的失真较小的正弦波和方波波形①。但于产生三角波则比较有麻烦，因为频率覆盖系数要求有1000倍，因此对于1000倍的频率变化会有积分时间从而使输出电压振幅的1000倍变化。而这是不满足电路要求的。幅度的稳定性几乎难以达到要求。并且通过仿真实验会发现积分器极易产生线性失真。方案二：通过芯片ICL8038产生8083集成函数发生器。该集成函数发生器是一种用途较多的波形发生器，可以产生方波、正弦波、三角波和锯齿波，通过外加的直流电压进行振荡器调节，所以是电压控制集成信号产生器。由于两个电流源控制外接电容C的充、放电电流，所以电容C两端电压大小变化与时间成线形关系，从而可以输出理想的三角波波形。8038电路中含正弦波变换器，因此可以将三角波转化成正弦波输出。另外还可以将三角波转换成方波输出通过触发器。此方案的特点有：◆稳定性好而且线性良好；◆易调频率，频带在几个数量级范围内，可以方便地、连续地改变频率大小，而且2四川师范大学成都学院通信原理课程设计◆变频率的同时，幅度是不会发生变的；◆不会出现过渡过程，只要接通电源后就会立即产生稳定的波形图；◆方波和三角波在半周期内的时间是线性函数，容易转换为别的波形。故由此，本次信号设计采用的是第二种方案。3设计理论3.1函数发生器的结构组成函数发生器是指能够自动产生方波、正弦波、三角波的电压波形的仪器或电路。可以采用由运放、分离元件及单片集成函数发生器构成电路形式。根据不同的用途，可以产生三种或多种不同波形的函数发生器，本次介绍的事不同函数信号发生器的方法。函数信号发生器是由正弦波形发生电路和基础的非正弦信号发生电路组合成的。下面我们将分别对方波、正弦波、三角波的发生进行分析，从而使在合成电路时电路更加的合理。3.2方波信号如图3.2-1由运算放大器和电容积分电路、Rf组成的，输出电压最终反馈到运放反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。图3.2-1运算放大电路电路如图3.2-2所示，在接通电源时，电容两端的电压为零，且输出电压等于UZ，所以运放同相输出端的电压uP=UzR2=UZF。R1+R23四川师范大学成都学院通信原理课程设计此时uO=UZ向C充电，使运放反相端输入电压uN不断上升。在uN小于uP以前，uO=UZ不变。在t=t1时，uN逐渐上升到略高于uP，使uO从高电平跳到低电平，变为-UZ。此时通过Rf向C充电，使运放反相输入端的电压uNuP=-UZF，uO=-UZ时，逐渐增加。在uN大于uP以前，uO=-UZ大小保持不变。在t等于t2时，uN减小到稍低于uP，则uO从低电平跳到高电平，变为UZ，又回到最初状态。如此重复，循环，从而产生振荡，并输出方波。根据上面的分析，从而可以画出如下图uO与uC的波形：图3-2-2uO与uC的波形有图波形，并取适当的R1、R2值，F=R2(R1+R2)，则T=2RfC，得到振荡频率为：3.3正弦波信号即又被称为文氏电桥振荡器，如图3-3-1所示其中是由同相运放电路组成的A放大器，如图3.3-1，Av=VoR=(2+1)VdR1f0=11=T2CRf4四川师范大学成都学院通信原理课程设计图3.3-1文氏电桥振荡电路图3.3-2同相运放电路由RC串并联组成网络F，因为运放的输入阻抗较大，所以输出阻抗Ro就很小，对网络F几乎没有影响影响，故忽略不计，根据图3.3-3得RVfjωRC+1Fv==1RVo++RjωC1+jωRC=R1(jωRC+1+R)+RjωC=R1j(ωR2C-)+3RωC5四川师范大学成都学院通信原理课程设计根据自激振荡条件：AF=T=1故有AvFv=AvR=1因此上式中分母12j(ωRC-)+3RωC中的虚部必须等于零，即R2Cw-1=0ωC⇒振荡频率ω0=1CR上式中实部为1，所以起振条件Av=3图3.3-2是同相运放，Av=R2+1须满足条件2R1=R2R1图3.3-3RC串并联3.4三角波信号根据RC的积分电路输出和输入信号波形的关系可得，当输入信号是方波时，则输出的信号便是三角波，由此可知，三角波信号发生器是由RC积分电路和方波信号发生器组成。下图3-2-3便是三角波信号发生器的电路组成。图中的方波信号发生器是由A1运算放大器组成，RC积分电路是由A2组成。该电路的设计原理是：由方波信号发生器输出方波。反相积分电路由图中A1，A2和C、R4等组成。分析可以画出uO1和uO的波形，如图3.4-1所示。6四川师范大学成都学院通信原理课程设计图3.4-1uO1和uO的波形电压uO的上升和下降幅度和时间变量相等，而且上升和下降的斜率的绝对值大小也相等。三角故波uO峰值为：Uom=UZR2R14R1R4CR2则在调整三角波电路时，R1或R2应被先调整,使峰值达到所需要的值，最后再调整故振荡周期：T=2(t2-t1)=R4或C，使频率f0能满足要求。4RC振荡电路设计RC振荡器电路的设计，就是根据给出的指标要求，选择适合的电路结构形式，并确