模拟电子函数发生器课程设计报告 [文档在线提供] (2)

武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》1目录1设计的目的及任务……………………………………（3）1.1课程设计的任务与要求…………………………………………（3）1.2课程设计的技术指标……………………………………………（3）2函数发生器的原理及方案选择………………………（4）2.1函数发生器的原理………………………………………………（4）2.2函数发生器的各方案分析比较及选择…………………………（4）3集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的函数发生器…………………………………………………………（6）3.1方波发生电路的工作原理……………………………………（6）3.2方波---三角波转换电路的工作原理…………………………（6）3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理………………………（10）3.4电路的参数选择及计算…………………………………………（12）3.5总电路图…………………………………………………………（14）3.6方波---三角波发生电路的仿真………………………………（14）3.7三角波---正弦波转换电路的仿真……………………………（16）4基于ICL8038设计的函数发生器……………………（16）4.1单片集成电路函数发生器ICL8038的电路结构……………（16）4.2ICL8038的引脚图……………………………………………（18）4.3ICL8038的性能优点…………………………………………（18）4.4ICL8038的工作原理…………………………………………（19）武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》24.5电路的参数选择及计算…………………………………………(20)4.6总电路图…………………………………………………………(21)4.7实验结果…………………………………………………………（21）5实验总结………………………………………………（22）6元器件清单……………………………………………(23)7参考文献………………………………………………(24)武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》31设计的目的及任务1.1课程设计的任务与要求设计任务设计一个能够产生方波—三角波—正弦波的函数发生器设计要求（1）根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理，计算元件参数。（2）列出所有元、器件清单报实验室备件。（3）安装调试所设计的电路，使之达到设计要求。（4）记录实验结果。1.2课程设计的技术指标输出波形：方波—三角波—正弦波频率范围：1kHz~10kHz输出电压：方波Vp-p≈12V,三角波≈6V,正弦波≈3V武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》42函数发生器的原理及方案2.1函数发生器的原理函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与最初的设计要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。2.2函数发生器的各方案分析比较及选择根据函数发生器的原理，本课题的设计有多种方案，在本次设计中，我主要参考了以下两种方案。方案一：方波—三角波—正弦波产生电路主要由运放及分立元件构成，先通过比较器产生方波，然后由积分器将方波变成三角波，再用有源滤波器讲三角波转换成正弦波。其组成框图见图1.1。该方案能实现频率可调的指标要求，且能实现一定范围内的幅度调节。但积分电路的时间参数选择需保证电路不出现积分饱和失真。武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》5图1.1方案二：采用单片集成电路函数发生器ICL8038单片函数发生器ICL8038制作的信号发生器,可同时输出方波、三角波和正弦波,频率调节范围大,正弦失真小，制作比较简单。方波三角波正弦波幅度调节输出有源滤波比较器积分器武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》63集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的函数发生器3.1方波发生电路的工作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R3对电容C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R3对电容C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。3.2方波---三角波转换电路的工作原理武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》7R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17方波—三角波产生电路mopURRRU2132T131242)(4ppRRCRRRT武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》8工作原理如下：若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则312231231()0CCiaRRPRUVURRRPRRRP将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为223131()CCCCiaRRUVVRRPRRP若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》9223131()EECCiaRRUVVRRPRRP比较器的门限宽度2312HCCiaiaRUUUIRRP由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为214221()OOUUdtRRPC1OCCUV时，2422422()()()CCCCOVVUttRRPCRRPC1OEEUV时，2422422()()()CCEEOVVUttRRPCRRPC可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为2231OmCCRUVRRP方波-三角波的频率f为3124224()RRPfRRRPC由以上两式可以得到以下结论：1.电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。2.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》103.3三角波---正弦波转换电路的工作原理三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。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，可以有效的抑制零点漂移，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。分析表明，传输特性曲线的表达式为：022/1idTCEUUaIIaIe011/1idTCEUUaIIaIe式中/1CEaII0I——差分放大器的恒定电流；TU——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为44434midmUTtTUUTtT022TtTtT式中Um——三角波的幅度；武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》11T——三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。C4-12VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCCR1250%R13C5C2R14IO2三角波—正弦波变换电路武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》123.4电路的参数选择及计算1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2.武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》13比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由式（3-61）得2231OmCCRUVRRP即223141123OmCCURRRPV取210RK，则3130RRPK，取320RK，RP1为47KΩ的点位器。区平衡电阻1231//()10RRRRPK由式（3-62）3124224()RRPfRRRPC即3141224RRPRRPRC当110ZHf时，取210CF，则42(75~7.5)RRPk，取45.1Rk，为100KΩ电位器。当10100ZHf时，取21CF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻510Rk。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。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》143.5总电路图50%R10C3R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17C412VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCC1R1250%R13C5C2R14三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》15先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。3.6方波---三角波发生电路的仿真武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》163.7三角波---正弦波转换电路的仿真武汉理工大学《模拟电子技术基础课程设计说明书》174基于ICL8038设计的函数发生器4.1单片集成电路函数发生器ICL8038的电路结构查阅资料手册得知，8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器等组成。其内部电路结构如图1.3所