电子技术课程设计-多功能信号发生器.doc

广东技术师范学院天河学院电子技术课程设计报告题 目： 多功能信号发生器 系 别： 电气工程系 专 业： （本）电力系统及其自动化 班 级： 082 姓 名： 学 号： 2008601543203 指导教师： 设计日期： 2010年12月13日-12月24日 2010年12月24日多功能信号发生器摘 要：本电子技术课程设计采用集成函数信号发生器max038为核心进行设计的多功能信号发生器，结合该芯片的特点设计相应的外围电路使其具有正弦波、方波和三角波三种基本波形的输出与选择，并能通过外电路实现基本频率调节、占空比调节以及幅值的调节，使其能够满足基本实验所需要的要求。关键词：函数；信号；发生器；max038；正弦波；方波；三角波目 录摘要11 引言42 多功能信号发生器 4 2.1 设计要求42.2 集成函数信号发生器max0384 2.2.1 max038的性能特点4 2.2.2 max038引脚功能5 2.2.3 max038工作原理62.3 设计框图62.4 各单元电路设计7 2.4.1 max038接口电路7 2.4.2 波形选择单元电路8 2.4.3 频段选择单元电路9 2.4.4 频率粗调-频率微调-15%85%占空比调节-50%占空比精调单元电路10 2.4.5 输出幅值放大调节单元电路13 2.4.6 直流稳压电源单元电路143 仿真144 心得体会16致谢16参考文献17附录1 电路原理图（protel）18附录2 元件清单261 引言信号发生器广泛应用于各种电子技术领域，也是电子实验室的基本设备之一。在各类学校实验室里广泛使用的是信号发生器的标准产品，虽然其功能齐全，性能指标较高，但是价格昂贵，同时对于要求不高的实验环境，其许多功能也用不上。本设计采用集成函数信号发生器max038而设计的简易多功能信号发生器，该电路结构简单，虽然功能和性能指标比不上标准信号发生器，但基本可以满足一般的实验要求，且成本相对较低。2 多功能信号发生器2.1 设计要求采用集成函数发生器设计相应的外围电路，实现正弦波、方波和三角波三种基本波形的选择与输出，输出频率范围在10hz5mhz之间，并具有频段选择、频率粗调、频率细调、占空比在15%85%之间可调、50%占空比精确调节以及输出010v峰峰值调节等基本功能。2.2 集成函数信号发生器max038目前广泛应用的函数发生器芯片是icl8038，它的最高振荡频率仅为100khz，而且三种输出波形从不同的引脚输出，使用很不方便。max038是美国马克西姆公司（maxim）开发的新一代函数信号发生器，是icl8038的升级产品。在适当调整其外部控制条件时，它可以产生准确的高频正弦波、方波、三角波信号，起输出信号的峰峰值精确的固定在2v，频率从0.1hz20mhz连续可调，最高振荡频率可达40 mhz。占空比最大从15%85%连续可调。由于在max038芯片内采用了多路选择器，使得三种输出波形可通过a0、a1引脚上电平的不同组合，从而选择选择不同的输出波形并从同一个引脚输出，而且输出波形的切换时间小于0.3s，使用更加方便。2.2.1 max038的性能特点能精密地产生三角波、方波、正弦波信号。频率范围从0.1hz20mhz，最高可达40mhz，各种波形的输出幅度峰峰值均为2v。占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围是15%85%。波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，占空比调节时非线性度低于2%。采用5v双电源供电，允许有5%变化范围，电源电流为80ma，典型功耗400mw，工作温度范围为070。内设2.5v电压基准，可利用该电压设定fadj、dadj的电压值，实现频率微调和占空比调节。低阻抗定压输出，输出电阻典型值0.1欧姆，具有输出过载/短路保护。内部功能齐全，外围电路简单，使用方便。2.2.2 max038引脚功能1ref 基准电源2.50v输出；26、9、11、18gnd接地(5个地内部不相连，需外部连接 )；3a0波形选择输入，兼容ttl/coms电平；4a1波形选择输入，兼容ttl/coms电平；5cosc外接振荡电容器cosc；7dadj 脉冲波占空比调节输入；8fadj 振荡频率调节电压输入；10iin 振荡频率参考电流输入；12pdo 相位检测器输出，如果不使用相位检测器则接地；13pdi 相位检测器同步信号输入，如果不用相位检测器则接地；14sync同步脉冲输出，由dgnd至dv+间的电压作基准，允许用外部信号同步内部振荡器，兼容ttl/coms电平，如果不用则悬空；15dgnd 数字电路部分接地开路时则禁止sync或未使用sync；16dv+ 数字电路+5v电源输入端，如果不用sync可悬空；17v+ 电源+5v输入端；19out 信号输出端；20v- 电源-5v输入端。2.2.3 max038工作原理max038的内部框图如下图所示。主要包括主振器，主振控制器，2.50v基准电压源，正弦波形成器，方波形器，比较器，多路选择器，输出级和相位检测器。在cosc与com之间接上振荡电容， iin向充电和放电，即可形成振荡，产生一个三角波和两个矩形波。图中，振荡器输出的三角波经正弦波形成器变换成等幅，低失真的正弦波。多路模拟开关则从输入的利用恒定电流正弦波，三角波和矩形波中选择一种，作为输出。波形种类由地址a0，a1的逻辑电平来设定。与此同时，三角波还经过比较器从sync端输出，可作为外部振荡器的同步信号。2.3 设计框图 频段选择 频率粗调 频率细调 波形选择 max038 幅度放大调节 15%-85%调节 占空比选择 50% 精调2.4 各单元电路设计2.4.1 max038接口电路如图所示，该电路为集成函数发生器max038与外围各单元电路的接口部分。a0、a1为波形选择单元电路输入接口；ref为2.5v基准电压输出接口；cosc为频段选择单元电路输入接口；iin为频率粗调单元电路输入接口；fadj为频率细调单元电路输入接口；dadj为占空比调节单元电路输入接口；out为输出幅值放大调节单元电路输出接口。由于此电路设计不使用相位检测以及同步信号输出，故将sycn、dv+、dgnd、pdo悬空，pdi接地。v+、v-分别接+5v和-5v，将5个gnd端接地，为max038提供工作电源。c1、c2、c3、c4和c5均为滤波电容。2.4.2 波形选择单元电路 当a1=1，a0=x时，max038输出正弦波，当a1=0，a0=0是，max038输出方波，当a1=0，a0=1时，max038输出三角波。如图所示，该电路采用二输入四与非门74ls00构成双触发器来实现波形选择与指示功能。其中u6a与u6b组成一组rs触发器，u6c与u6d组成另一组rs触发器。当按下正弦波轻触开关s2时，u6a与u6b组成的rs触发器3脚置高电平1，使得a1=1，此时不管a0为高低电平，max038输出正弦波，同时使led7导通发光，led8和led9截止，指示正弦波。当按下方波轻触开关s3，u6c与u6d组成的rs触发器8脚置高电平，11脚置低电平，使得a0=0。u6a与u6b组成的rs触发器5脚经过二极管d1和方波轻触开关s3接地，使得3脚置低电平，即a1=0。此时max038输出方波，同时使led8导通发光，led7和led9截止，指示方波。当按下三角波轻触开关s4，u6c与u6d组成的rs触发器8脚置低电平，11脚置高电平，使得a0=1。u6a与u6b组成的rs触发器5脚经过二极管d2和三角波轻触开关s4接地，使得3脚置低电平，即a1=0。此时max038输出三角波，同时使led9导通发光，led7和led8截止，指示三角波。r15、r16、r17分别为led7、led8、led9的限流电阻。c17为u6的电源滤波电容。利用二极管d1、d2的单向导通性使u6c与u6d组成的rs触发器两输入端不能同时有效。2.4.3 频段选择单元电路如图所示，由二输入四与非门74ls00其中的u3c与u3d构成的rs触发器起到按键消抖的作用，使得当频段选择轻触开关s1按下与松开时，u3c与u3d构成的rs触发器能稳定输出一个脉冲给四位二进制加法计数器74ls161的脉冲输入端clk，放置因机械按键抖动造成多次脉冲计数的问题。每按一次频段选择轻触开关s1时，u3c与u3d组成的rs触发器11脚输出一次脉冲给四位二进制加法计数器74ls161，使74ls161输出端qc qb qa一次输出000到101，当输出端qc qb qa输出110时，由于高两位11经过u3a与非门送到74ls161的异步轻零端clr，使74ls161输出端qc qb qa重新置为000。74ls161输出端qc qb qa分别送到3线-8线二进制译码器74ls138的输入端c b a,使74ls138对应输出端y0y5其中一路有效，输出低电平，从而使对应的继电器和发光二极管工作。继电器线圈得点，使继电器常开触头吸合，对应电容器接地，使max038的cosc端接入对应的外接振荡电容，不同的电容器容量值不一样，从而接入不同的电容器使max038产生的振荡频率也不一样，实现频段的选择。cosc为频段选择外接振荡电容器输入，其允许外接电容器的容量范围为20pf到100f之间。当v时，输出振荡频率：其中iin电流输入范围可从2a到750a之间变化，推荐参考范围为10a到400a之间。当取10a到100a时：分别为20pf、100pf、1000pf、0.01f、0.1f、1f所对应的频率范围分别为：5mhz1mhz、1mhz100khz、100khz10khz、10khz1khz、1khz100hz、100hz10hz。r1r6分别为led1led6的限流电阻。c12、c13、c36分别为u2、u4、u3的电源滤波电容。2.4.4 频率粗调-频率微调-15%85%占空比调节-50%占空比精调单元电路如图所示，ret为max038的2.5v基准电压输出。可由电流源或电压源与电阻串联来驱动，当用电压源与电阻串联来驱动时：由图可知，此时：v由前面可知，取10a到100a之间，故应取25k到250k之间，取r8=25k，rp1=220k。此时当频段选择外接振荡电容器确定且时，用电压源与电阻串联的振荡器振荡频率：从而通过调节rp1的输入阻值来实现频率的粗调。一旦由设置后，输出频率还可以由调节。当已知时, 频率为： fadj上的电压允许变化范围从-2.4v到+2.4v，如果超出了+/-2.4v会导致输出频率的不稳定 。则由fadj调节的频率输出范围是fadj=0时的0.3倍到1.7倍。接在ref和fadj 之间的可变电阻 可调整频率:取为-2.4v到+2.4v之间，则应取400到19.6k之间，取r9=430，rp2=20k。从而通过调节rp2的输入阻值来实现频率的细调。改变dadj端的电压，能控制波形的占空比d。当=0v时，占空比d=50%；dadj上的电压允许变化范围从-2.3v到+2.3v 。当=+2.3-2.3v时，占空比d从15%变化到85%，其占空比的计算公式为：接在ref和dadj之间的可变电阻可调整占空比：取为-2.3v到+2.3v之间，则应取800到19.2k之间，取r10=820，rp3=20k。从而通过调节rp3的输入阻值来实现15%85%占空比的调节。dadj引脚还可以用来减小正弦波的失真。未调整(v)的占空比是502，而偏离准确的50时将产生偶次谐波，这时加一个调整电压(典型值为小于100 mv)到dadj，就可以减小失真。如图所示，利用运算放大器a747构成的50%占空比精调电路，其中u5a构成反向比例运算电路，其电压放大倍数：u5b构成电压跟随器，减小输出阻抗。从而通过调整rp4可以使正弦波失真最小，更趋近于得到理想的波形。拨动开关sw1可实现电压微调转换与占空比调节转换。c14、c15分别为a747正负电源的滤波电容；c16为max038的ref端2.5v基准电压的滤波电容。2.4.5 输出幅值放大调节单元电路输出幅值放大电路由max422构成，max422是一个高速双通道，250v/s转换率、140mhz（带宽）视频放大的放大器。引脚功能如下：13.in0、in1 同相输入端，由8脚a0电平决定2gnd 接地；4v- 电源-5v输入端；5in- 反向输入端；6 输出端；7v+ 电源+5v输入端。如图所示，max038输出端out经rp5分压送到由max442构成的交流反向比例运算电路，其电压放大倍数：则从p1端输出的最大电压峰峰值为v。当调节幅度调节rp5使可是p1端输出电压峰峰值在0v到20v之间变化，从而实现输出幅值放大调节。c18、c19分别为max正负电源的滤波电容。r22为平衡电阻：2.4.6 直流稳压电源单元电路 如图所示，交流电源220v经t1变压器变为双18v/35w交流电源输出，过开关s5后经1a整流桥堆d3输出直流电压，再由电容c20c35和稳压管7815、7915、7805、7905稳定输出15v和5v直流电压。led10和led11分别为正负电源指示灯，r20、r21为led10和led11的限流电阻，其功率为0.5w。3 仿真应用仿真软件multisim 11.0进行仿真，其输出波形如图所示：3 心得体会 通过本次电子技术的课程设计，我充分的结合自己所学的理论知识，用理论指导实践，同时实践也反过来指导理论设计。例如四位二进制加法器74ls161通过按键输入脉冲信号的问题，尽管只是一个很简单的原理，但在实践上却遇到了机械按键会产生抖动的问题，一开始很茫然为什么不能正常工作