畢業(yè)設計---簡易信號發(fā)生器設計

1、<p>　　課程設計題目： 簡易信號發(fā)生器設計</p><p><b>　　第一部分</b></p><p><b>　　課程設計任務書 </b></p><p><b>　　設計目的</b></p><p>　　掌握信號發(fā)生器的設計方法和測試技術</p>

2、;<p>　　了解單片函數(shù)發(fā)生器IC8038的工作原理和應用。</p><p>　　學會安裝和調(diào)試分立元件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)。</p><p><b>　　設計技術與要求</b></p><p><b>　　設計要求</b></p><p><b>　　基本要

3、求</b></p><p>　　電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；</p><p>　　輸出信號的頻率要求可調(diào)；</p><p>　　擬定測試方案和設計步驟；</p><p>　　根據(jù)性能指標，計算元件參數(shù)，選好元件，設計電路并畫出電路圖；</p><p>　　在畫面板上或萬能板上安裝電路；<

4、/p><p>　　測試輸出信號的幅度和頻率；</p><p><b>　　寫出設計性性報告。</b></p><p>　　擴展要求：輸出信號的幅度和要求連續(xù)可調(diào)，幅度范圍為0-5V，頻率范圍100HZ-10KHZ。</p><p><b>　　技術指標</b></p><p>　

5、　頻率范圍：100HZ-1KHZ，1KZ-10KHZ;輸出電壓：方波Vp-p<24V,</p><p>　　三角波Vp-p=6V,正玄波 Vp-p=1V;方波tr 小于1uS.</p><p><b>　　三、設計提示</b></p><p><b>　　方案提示：</b></p><p>　

6、　設計方案可先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變成方波 ，再由積分電路</p><p>　　將方波變成三角波；也可先產(chǎn)生三角-方波，再將三角波變成正弦波。如下框土所示。</p><p>　　方波 三角波 正弦波</p><p>　　用單片集成芯片IC8038實現(xiàn)，但這種方案要求幅度和頻率都可調(diào)，可采用數(shù)字電&

7、lt;/p><p>　　位器加程控放大器實現(xiàn)。</p><p>　　用單片機和A/D轉換器實現(xiàn)，編寫相應的程序即可實現(xiàn)。</p><p>　　設計用儀器：示波器1臺，晶體管豪伏表，萬能表1塊，低頻率信號發(fā)生器，實驗面包板或萬能板，智能電工實驗臺。</p><p>　　設計用主要器件：雙運放UA747（或7412一只）、差分管3DG100四個；IC

8、8038、數(shù)字</p><p>　　電位器一個；68C51、D/A0832一塊。電阻電容若干。</p><p>　　參考書：彭介華《電子技術課程設計指導》高教出版社；上課教材</p><p><b>　　設計報告要求</b></p><p><b>　　選定設計方案；</b></p>

9、<p>　　擬出設計步驟，畫出設計電路，分析計算主要元件參數(shù)值；</p><p><b>　　列出測試數(shù)據(jù)表格；</b></p><p>　　進行總結和分析，并寫出設計性報告。</p><p><b>　　設計總結與思考</b></p><p>　　總結信號發(fā)生器的設計和測試方法；<

10、/p><p>　　總結設計信號發(fā)生器所用的知識點；</p><p>　　三角波的輸出幅度是否可以超過方波 ？</p><p>　　IC8038的輸出頻率與那些參數(shù)有關？如何減小失真？</p><p>　　一、 簡易信號發(fā)生器基本原理</p><p><b>　　函數(shù)發(fā)生器的組成</b></p&g

11、t;<p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運放及分離元件構成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。</p><p><b>　　1，正弦波產(chǎn)生電路</b></p><p>　　正弦波振蕩電路的振蕩條件

12、；</p><p>　　1、 RC橋式正弦波振蕩器（文氏電橋振蕩器）</p><p>　　圖11－1為RC橋式正弦波振蕩器。其中RC串、并聯(lián)電路構成正反饋支路，同時兼作選頻網(wǎng)絡，R1、R2、RW及二極管等元件構成負反饋和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)電位器RW，可以改變負反饋深度，以滿足振蕩的振幅條件和改善波形。利用兩個反向并聯(lián)二極管D1、D2正向電阻的非線性特性來實現(xiàn)穩(wěn)幅。D1、D2采用硅管（溫度穩(wěn)

13、定性好），且要求特性匹配，才能保證輸出波形正、負半周對稱。R3的接入是為了削弱二極管非線性的影響，以改善波形失真。</p><p><b>　　電路的振蕩頻率 </b></p><p><b>　　起振的幅值條件 </b></p><p><b>　　≥2　</b></p><p&

14、gt;　　式中Rf＝RW＋R2＋（R3 // rD），rD — 二極管正向導通電阻。</p><p>　　調(diào)整反饋電阻Rf（調(diào)RW），使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋太強，應適當加大Rf。如波形失真嚴重，則應適當減小Rf。</p><p>　　改變選頻網(wǎng)絡的參數(shù)C或 R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換，而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細調(diào)。</p>

15、<p>　　圖11－1 RC橋式正弦波振蕩器</p><p><b>　　2、方波發(fā)生器</b></p><p>　　由集成運放構成的方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和RC積分器兩大部分。圖11-2所示為由滯回比較器及簡單RC 積分電路組成的方波—三角波發(fā)生器。它的特點是線路簡單，但三角波的線性度較差。主要用于產(chǎn)生方波，或對三角波要求不高的場

16、合。</p><p><b>　　電路振蕩頻率</b></p><p>　　式中　R1＝R1'＋RW' R2＝R2'＋RW" </p><p>　　方波輸出幅值　　 　Uom＝±UZ</p><p><b>　　三角波輸出幅值　</b></p&

17、gt;<p>　　調(diào)節(jié)電位器RW（即改變R2／R1），可以改變振蕩頻率，但三角波的幅值也隨之變化。如要互不影響，則可通過改變Rf（或Cf）來實現(xiàn)振蕩頻率的調(diào)節(jié)。</p><p>　　圖11－2 方波發(fā)生器</p><p>　　3、　三角波和方波發(fā)生器</p><p>　　如把滯回比較器和積分器首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，如圖11－3 所示，則比較器A

18、1輸出的方波經(jīng)積分器A2積分可得到三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉形成方波，這樣即可構成三角波、方波發(fā)生器。圖11－4為方波、三角波發(fā)生器輸出波形圖。由于采用運放組成的積分電路，因此可實現(xiàn)恒流充電，使三角波線性大大改善。</p><p>　　圖11-3 三角波、方波發(fā)生器</p><p><b>　　電路振蕩頻率 　　</b></p><p&g

19、t;　　方波幅值　 　U′om＝±UZ</p><p>　　三角波幅值　 　</p><p>　　調(diào)節(jié)RW可以改變振蕩頻率，改變比值可調(diào)節(jié)三角波的幅值。</p><p>　　圖11－4　方波、三角波發(fā)生器輸出波形圖</p><p>　　1.3提出解決問題的方案及選取</p><p>　　1、三角波

20、變換成正弦波</p><p>　　由運算放大器單路及分立元件構成，方波——三角波——正弦波函數(shù)發(fā)生器電路組成如圖1所示，由于技術難點在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細介紹三角波到正弦波的變換。</p><p><b>　　圖1</b></p><p>　　利用差分放大電路實現(xiàn)三角波——正弦波的變換</p><p>　　

21、波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖2所示。由圖可以看出，傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度Uim應正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。</p><p><b>　　㎝</b></p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　方案一：用差分放大電路實現(xiàn)三角波到

22、正弦波以及集成運放組成的電路實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器</p><p>　　用二極管折線近似電路實現(xiàn)三角波——正弦波的變換</p><p>　　二極管折線近似電路 圖3</p><p>　　根據(jù)二極管折線近似電路實現(xiàn)三角波——正弦波的變換的原理圖，可得其輸入、輸出特性曲線如入3所示。</p><

23、p>　　頻率調(diào)節(jié)部分設計時，可先按三個頻率段給定三個電容值：1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再計算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對方波前后沿時間的要求，以及正弦波最高工作頻率（10kHz）的要求，在積分器、比較器、正弦波轉換器和輸出級中應選用Sr值較大的運放（如LF353）。為保證正弦波有較小的失真度，應正確計算二極管網(wǎng)絡的電阻參數(shù)，并注意調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度和對稱度。輸入波形中不能含有直流成分。<

24、;/p><p>　　方案二：用二極管折線近似電路以及集成運放組成的電路實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器</p><p>　?。?）圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當8腳與一連續(xù)可調(diào)的直流電壓相連時，輸出頻率亦連續(xù)可調(diào)。當此電壓為最小值（近似為0）時。輸出頻率最低，當電壓為最大值時，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用范圍是0—3V。由于5G8038本身的線性度僅在掃描頻率范圍10：1時

25、為0.2%，更大范圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，所以控制電壓經(jīng)μA741后再送入5G8038的8腳，這樣會有效地改善壓控線性度（優(yōu)于1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時輸出頻率可由下式?jīng)Q定：</p><p><b>　　f=0.3/RC4</b></p><p>　　設函數(shù)發(fā)生器最高工作頻率為2kHz，定時電容C4可由上式求得。</p>

26、<p>　　電路中RP3是用來調(diào)整高頻端波形的對稱性，而RP2是用來調(diào)整低頻端波形的對稱性，調(diào)整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩(wěn)壓管VDz是為了避免8腳上的負壓過大而使5G8038工作失常設置的。</p><p>　　方案三：用單片集成函數(shù)發(fā)生器5G8038</p><p><b>　　可行性分析：</b></p><p>　　

27、上面三種方案中，方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要認為地搭建波形變換的電路圖。而方案三采用集成芯片使得電路大大簡化，但是由于實驗室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因為它是犧牲了成本來換取的方便。其次是對方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運放和三極管等電器原件，方案二是用的二極管、電阻、三極管、運放等電器原件，所以從簡單而且便于購買的前提出發(fā)我們選擇方案一為我們最終的

28、設計方案。</p><p><b>　　1.4參數(shù)的確定</b></p><p>　　從電路的設計過程來看電路分為三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分</p><p><b>　　正弦波部分</b></p><p>　　由于我們選取差分放大電路對三角波——正弦波</p><

29、p>　　進行變換，首先要完成的工作是選定三極管，我</p><p>　　們現(xiàn)在選擇KSP2222A型的三極管，其靜態(tài)曲線圖</p><p><b>　　像如右圖所示。</b></p><p>　　根據(jù)KSP2222A的靜態(tài)特性曲線，選取靜態(tài) </p><p><b>　　工作區(qū)的中心</b>&

30、lt;/p><p><b>　　由直流通路有：</b></p><p><b>　　20 k</b></p><p><b>　　k</b></p><p>　　因為靜態(tài)工作點已經(jīng)確定，所以靜態(tài)電流變成已知。根據(jù)KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：</p>

31、<p><b>　　可得</b></p><p>　　方波部分與三角波部分參數(shù)的確定</p><p><b>　　根據(jù)性能指標可知</b></p><p>　　由,可見f與c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C為10。10Hz~100Hz,C為1。</p><p>　　則=7.5k~75

32、k，則=5.1k</p><p>　　則=2.4k或者=69.9 k</p><p><b>　　∴取100 k</b></p><p><b>　　∵</b></p><p>　　由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v，有</p><p><b>　

33、　=</b></p><p><b>　　∴=10k</b></p><p>　　則≈47 k，=20 k</p><p>　　根據(jù)方波的上升時間為兩毫秒，查詢運算放大器的速度，可以選擇74141型號的運放。</p><p><b>　　由此可得調(diào)整電阻：</b></p>

34、<p>　　七、實務圖的焊接和調(diào)試</p><p>　　1、按照方案一的電路圖焊接好電路板。</p><p>　　2、調(diào)試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.</p><p><b>　?。?）頻率范圍:</b></p><p>　　為便于測量,將電路板上的方波信號接入示波器,并合

35、上C1=10µF的開關，斷開C2=1uF的開關,然后調(diào)節(jié)RP2,并測出此時方波信號頻率的變化范圍;</p><p>　　斷開C1的開關,合上C2的開關,按照同樣的方法調(diào)節(jié)RP2并記錄方波信號頻率的變化范圍,結果如下:</p><p>　　以上頻率并未完全到達要求的指標范圍，經(jīng)分析，原因在于：</p><p>　　通過對比，發(fā)現(xiàn)頻率范圍整體下移，這里可能存在

36、兩個原因，第一是反饋通道上的存在磨損，使電阻值達不到計算的數(shù)值。第二是三角波運放上的反向端的電阻也存在一樣的問題。</p><p><b>　　（2）輸出電壓：</b></p><p><b>　　方波：</b></p><p>　　電路板上方波信號接入示波器，調(diào)節(jié)RP1,測得方波峰峰Vpp=14V，可見所得值與性能指標中

37、的一致。</p><p><b>　　三角波：</b></p><p>　　撤除方波信號并接入三角波信號，調(diào)節(jié)RP1, 測得三角波峰峰值Upp=5V也能達到課題的要求。</p><p><b>　　正弦波：</b></p><p>　　將正弦波信號接入示波器，調(diào)節(jié)RP3和RP4,測得正弦波峰峰值Up

38、p=2.8V.也基本上能到達課題要求。</p><p><b>　　3、波形特性測定:</b></p><p><b>　　① 方波上升時間:</b></p><p>　　將電路板上的方波信號接入示波器,,調(diào)節(jié)示波器上周期調(diào)節(jié)旋鈕,直到能清楚觀測到方波信號上升沿處的躍變,測得方波上升時間為:</p><

39、p><b>　　tr=6.4µs</b></p><p>　　分析：上升時間達不到要求，這個可以用換運放類型來解決。通過改變運放的速度來改變其上升時間。</p><p><b>　　三角波非線形失真:</b></p><p>　　撤除方波信號,將電路板上三角波信號接入示波器通道1,測得此時的三角波信號參數(shù)如

40、下:</p><p>　　頻率: f=98.42Hz</p><p>　　峰峰值: Upp=5V</p><p>　　此時將實驗臺上函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波作為標準信號接入示波器的通道2,并調(diào)節(jié)其頻率及峰峰值,使之與要測試的三角波信號參數(shù)一致(f=98.42Hz,Upp=5V).</p><p>　　在示波器上的雙蹤模式下比較,發(fā)現(xiàn)

41、兩通道的三角波完全重合,說明無非線形失真.</p><p><b>　　正弦波嚴重失真:</b></p><p>　　分析：由于調(diào)節(jié)平衡的滑動變阻器的一只引腳壞掉了，我自己拿一根導線將其接好，所以導致電路的不對成性，使得靜態(tài)工作點偏離原定的位置，故導致此結果。</p><p><b>　　七、調(diào)試與測試</b></p

42、><p>　　實踐表明，一個電子裝置，即使按照設計的電路參數(shù)進行安裝往往也難于達到預期效果。這是因為人們在設計時，不可能周全地考慮各種復雜的客觀問題，必須通過安裝后的測試和調(diào)整，來發(fā)現(xiàn)和糾正設計方案的不足。然后采取措施加以改進，使裝置達到預定的技術指標。因此調(diào)整電子電路的技能對從事電子技術及有關領域工作的人員來說，是不應缺少的。調(diào)試的常用儀器有：萬用表、示波器、信號發(fā)生器。</p><p>&

43、lt;b>　　1、調(diào)試前的檢查</b></p><p>　　在電子元器件安裝完畢后，通常不宜急于通電，要形成這種習慣，先要仔細檢查。其檢查內(nèi)容包括：</p><p><b>　　檢查連線是否正確</b></p><p>　　檢查的方法通常有兩種方法：</p><p>　　按照電路圖檢查安裝的線路。這種方

44、法的特點是根據(jù)電路圖連線，按一定順序安裝好的線路，這樣比較容易查出哪里有錯誤。</p><p>　　按照實際線路來對照原理圖電路進行查線。這是一種以元件為中心進行查線的方法。把每個元件引腳的連線一次查清，檢查每個去處在電路圖上是否存在，這種方法不但可以查出錯線和少線，還容易查出多線。</p><p>　　為了防止出錯，對于已查過的線通常應在電路圖上做出標記，最好用指針式萬用表“歐姆1”擋，

45、或數(shù)字萬用表“歐姆擋”的蜂鳴器來測量，可直接測量元、器件引腳，這樣可以同時發(fā)現(xiàn)接觸不良的地方。</p><p>　　檢查元器件的安裝情況</p><p>　　檢查元器件引腳之間有無短路和接觸不良，尤其是電源和地腳，發(fā)光二極管“+”、“-”極不要接反。</p><p>　　2 、調(diào)試方法與原則</p><p><b>　　（1）通電觀

46、察</b></p><p>　　把經(jīng)過準確測量的電源接入電路。觀察有無異?，F(xiàn)象，包括有無元件發(fā)熱，甚至冒煙有異味電源是否有短路現(xiàn)象等；如有此現(xiàn)象，應立即斷電源，待排除故障后才能通電。</p><p><b>　　（2）靜態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　交流和直流并存是電子電路工作的一個重要組成部分。一般情況下，直流為交流服務，直

47、流是電路工作的基礎。因此，電子電路的調(diào)試有靜態(tài)和動態(tài)調(diào)試之分。靜態(tài)調(diào)試過程：如，通過靜態(tài)測試模擬電路的靜態(tài)工作點，數(shù)字電路和各輸入端和輸出端的高低電平值及邏輯關系等，可以及時發(fā)現(xiàn)已損壞的元器件，判斷電路工作情況，并及時調(diào)整電路參數(shù)，使電路工作狀態(tài)符合設計要求。</p><p><b>　　（3）動態(tài)調(diào)試</b></p><p>　　調(diào)試的方法是在電路的輸入端接入適當頻

48、率和幅值的信號，并循著信號流向來檢測各有關點的波形，參數(shù)和性能指標。發(fā)現(xiàn)故障應采取各種方法來排除。通過調(diào)試，最后檢查功能塊和整機的各種指標是否滿足設計要求，如必要再進一步對電路參數(shù)提出合理的修正。</p><p>　　3、調(diào)試中注意的事項</p><p>　　我們在調(diào)試時，為了保證效果，必須盡量減小測量誤差，提高測量精度。調(diào)試結果是否正確，很大程度受測量正確與否和測量精度的影響。為此，需注

49、意以下幾點：</p><p>　　正確使用測量儀器的接地端。</p><p>　　測量電壓所用儀器的輸入端阻抗必須遠大于被測處的等效阻抗。因為， 若測量儀器輸入阻抗小，則在測量時會引起分流給測量結果帶來很大誤差。</p><p>　　測量儀器的帶寬必須大于被測電路的帶寬。</p><p>　　要正確選擇測量點，用同一臺測量儀進

50、行測量進，測量點不同，儀器內(nèi)阻引起的誤差大小將不同。</p><p>　　調(diào)試過程中，不但要認真觀察和測量，還要于記錄。記錄的內(nèi)容包括實驗條件，觀察的現(xiàn)象，測量的數(shù)據(jù)，波形和相位關系等。只有有了大量的可靠實驗記錄并與理論結果加以比較，才能發(fā)現(xiàn)電路設計上的問題，完善設計方案。</p><p>　　調(diào)試時出現(xiàn)故障，要認真查找故障原因，切不可一遇故障解決不了的問題就拆掉線路重新安裝。因為重新安裝

51、的線路仍可能存在各種問題。我們應該認真檢查.</p><p><b>　　4、電路測試:</b></p><p>　　在對電路調(diào)試完后我們將對電路進行測試，在測試中我們主要是看能否實現(xiàn)其功能；如果能說明成功，不能要重新檢查電路是否有問題。</p><p><b>　　八、元件清單</b></p><p&

52、gt;<b>　　九、心得體會</b></p><p>　　通過這次設計，我的理論知識掌握得更扎實，動手能力明顯提高。同時，通過網(wǎng)上搜索等多方面的查詢資料，我學到許多在書本上沒有的知識，也認識到理論聯(lián)系實踐的重要。理論學得好，但如果只會紙上談兵，一點用都沒有。以后也很難找到工作。在這次設計中，我們開始沒買到三極管的的放大倍數(shù)在30～150倍之間的，因此我們第一次做好之后，就去調(diào)試，居然沒點信

53、號，這是我的三極管的放大倍數(shù)太小了啊。我們?nèi)ベI適合的放大倍數(shù)的三極管。第二次我們終于成功了，真的好高興。制作好以后，雖然符合設計要求，但我們總覺得欠缺點什么。這次設計，讓我感受最深是，當我們測量輸出電壓時，發(fā)現(xiàn)誤差很大。連續(xù)測量了好幾次，結果還是一樣。當時我們就急了，到底是哪里出問題了呢？線路應該是接好了的，因為有電壓輸出。難道是參數(shù)計算出了問題嗎？也不會。我們都給老師看過了的，確定無誤才開始做的。有的組員當時提議重新接線，但大部分人反

54、對。最后我們想，會不會是萬用表有問題呢？因為這個萬用表是一位同學自己做的。然后我們換用一標準數(shù)字萬用表測量，結果在誤差允許范圍內(nèi)。如果我們當時盲目的拆線重接，沒有對電路進行調(diào)試、分析，排除電路故障，那么我們就要眼瞎忙一陣了，費</p><p><b>　　十、鳴謝</b></p><p>　　感謝xx老師的耐心指導；</p><p><b

55、>　　感謝同學的幫助；</b></p><p>　　感謝xx電信系實驗老師的大力支持；</p><p>　　感謝xx院對我的支助。</p><p><b>　　十二、參考文獻</b></p><p>　　1、胡宴如.模擬電子技術 (第二版).高等教育出版社 2006</p><p&g