简易信号发生器课程设计

1、 湖 南 工 学 院 模拟电子技术课程设计说明书 课程名称：简易信号发生器设计 系 部：电气与信息工程系 专 业：电子信息工程技术 班 级：电气0702 设计人：郭睿超 学 号：402070217同组成员：裴书茂 龚淼佑 指导老师：雷美艳 时间：2008-12湖南工学院课程设计任务书课 程：模拟电子技术课程设计题目： 简易信号发生器设计班 级：电气0702时 间：20082009学年第二学期指 导 教 师：雷美艳 第一部分课程设计任务书 一、 设计目的1、 掌握信号发生器的设计方法和测试技术2、 了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。3、 学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电

2、子电路小系统。二、 设计技术与要求1、 设计要求 基本要求A、 电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；B、 输出信号的频率要求可调；C、 拟定测试方案和设计步骤；D、 根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；E、 在画面板上或万能板上安装电路；F、 测试输出信号的幅度和频率；G、 写出设计性性报告。扩展要求：输出信号的幅度和要求连续可调，幅度范围为0-5V，频率范围100HZ-10KHZ。2、 技术指标频率范围：100HZ-1KHZ，1KZ-10KHZ;输出电压：方波Vp-p<24V,三角波Vp-p=6V,正玄波 Vp-p=1V;方波tr 小于1uS.三、设计提示

3、方案提示：1、 设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波 ，再由积分电路将方波变成三角波；也可先产生三角-方波，再将三角波变成正弦波。如下框土所示。 方波 三角波 正弦波积分器比较器差分放大器2、 用单片集成芯片IC8038实现，但这种方案要求幅度和频率都可调，可采用数字电位器加程控放大器实现。3、 用单片机和A/D转换器实现，编写相应的程序即可实现。设计用仪器：示波器1台，晶体管豪伏表，万能表1块，低频率信号发生器，实验面包板或万能板，智能电工实验台。设计用主要器件：双运放UA747（或7412一只）、差分管3DG100四个；IC8038、数字电位器一个；68C51、D/A0

4、832一块。电阻电容若干。参考书：彭介华电子技术课程设计指导高教出版社；上课教材四、 设计报告要求1、 选定设计方案；2、 拟出设计步骤，画出设计电路，分析计算主要元件参数值；3、 列出测试数据表格；4、 进行总结和分析，并写出设计性报告。五、 设计总结与思考1、 总结信号发生器的设计和测试方法；2、 总结设计信号发生器所用的知识点；3、 三角波的输出幅度是否可以超过方波 ？4、 IC8038的输出频率与那些参数有关？如何减小失真？一、 简易信号发生器基本原理1、 函数发生器的组成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

5、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，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。1，正弦波产生电路 正弦波振荡电路的振荡条件；1、 RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）图111为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性

6、的影响，以改善波形失真。电路的振荡频率 起振的幅值条件 2 式中RfRWR2（R3 / rD），rD 二极管正向导通电阻。调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。如波形失真严重，则应适当减小Rf。改变选频网络的参数C或 R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。图111 RC桥式正弦波振荡器2、方波发生器由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。图11-2所示为由滞回比较器及简单RC 积分电路组成的方波三角波发生器。它的特点是线路简单，但三角波的线性度较

7、差。主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。电路振荡频率 式中R1R1'RW' R2R2'RW" 方波输出幅值 Uom±UZ三角波输出幅值调节电位器RW（即改变R2R1），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。如要互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。图112 方波发生器3、三角波和方波发生器如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图113 所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。图114为方波、三角波发生器输出波形图。由于

8、采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。 图11-3 三角波、方波发生器电路振荡频率 方波幅值 Uom±UZ三角波幅值 调节RW可以改变振荡频率，改变比值可调节三角波的幅值。图114方波、三角波发生器输出波形图4.ICL8038芯片简介及典型应用-FSK1引言ICL8038精密函数发生器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，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。2ICL8038芯片简介21性能特点具

9、有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。22管脚功能图1为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。脚1、12（SineWaveAdjust）：正弦波失真度调节；脚2（SineWaveOut）：正弦波输出；脚3（TriangleOut）：三角波输出；脚4、5（DutyCycleFrequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角

10、波的对称调节；脚6（V）：正电源±10V±18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏图1ICL8038管脚图置电压输；脚8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入；脚9（SquareWaveOut）：方波输出，为开路结构；脚10（TimingCapacitor）：外接振荡电容；脚11（V orGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。3基本电路的工作原理ICL8038的内部框图如图2所示。图2ICL8038内部框图其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输

11、入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得

12、。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网

13、络构成。一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当满意。4设计与应用要点41函数信号频率和占空比的调节由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给，也可以由外部供给。图3为几种由内部供给偏置电压调节的接线图。 图3ICL8038典型应用在以上应用中，由于第7脚频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定，其频率为F，周期T，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。Tt1t2f1T由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到

14、比较器规定输入电压的13倍，分得的时间为t1=CV/I=(C+1/3·Vcc·R A)/(1/5·Vcc)=5/3RA·C 在电容放电时，电压降到比较器输入电压的13时，分得的时间为t2CVI（C13·VCC）（25·VCCRB15·VCCRA）（35·RARB·C）（2RARB）f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR）对图3（a）中，如果RARB，就可以获得占空比为50的方波信号。其频率f3（10RAC）。42正弦函数信号的失真度调节由于ICL8038单片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非线性网

15、络变换而获得。该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。图4为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在实际应用中，两只100K的电位器应选择多圈精度电位器，反复调节，可以达到很好的效果。图4正弦波失真度调节电路5基于ICL8038的FSK调制电路该电路如图5所示电路中稳压二极管的作用是将振荡频率根据需要设定一个中心频率点。电阻R1和1000PF的电容器用来减小扫描引起的占空比变化。利用8038压控振荡的功能，将数据信号通过运算放大器接到第8脚扫描控制端，振荡频率随着数据0电平

16、和1电平而改变。图5ICL8038的FSK调制电路在实验中，我们用62V稳压二极管设定中心频率，振荡电容值选择01f，基带信号0和1电平值为TTL电平，速率为2400bps，经过本调制电路后测试，中心频率为1900Hz，0和1电平对应的输出信号频偏f±400Hz，其幅度没有发生变化，输出正弦波的失真度均不超过11，说明扫描电压引起的失真变化非常小，基本没有寄生成分，输出0和1电平值与输出信号值的对应关系如表1所示。当码速提高到9600bps时，经过实验测试，输出正弦波信号的失真度已变差，所以用ICL8038构成的调制电路，其码速一般在4800bps以下。根据实验可知，利用此电路得到的

17、FSK调制信号，其最低频率和最高频率可以依据具体实际情况在调制过程中改变，只需调整数据0电平值和1电平值的大小，就能改变FSK调制信号的频偏，而且调制信号幅度不受影响。经过实际验证，用ICL8038芯片制成的FSK调制电路,输出的正弦波的寄生调幅成分极小，其性能远比滤波法优越。又因采用了运算放大器使输入扫描电压（调制信号）相对于输出信号的线性度也得到很大改进，其输出信号正弦波的频率变化随输入扫描电压值线性变化，斜率为016Hzmv。在应用ICL8038精密函数发生器设计、研制FSK调制器时，应注意以下两点：振荡电容器C的性能优劣，直接影响整个电路工作频率的稳定，在实验中，我们采用了性能稳定，温

18、度系数小的金属化电容器，经测试，其输出函数信号的频率稳定度可达到103；由于RA和RB是决定输出信号占空比的关键元件，所以在实际使用中，尽量选择温度系数小，精度高的金属电阻和精密多圈电位器。表1“0”与“1”对应表数据信号电平值频率值码速00V1500Hz2400bps15V2300Hz1.3提出解决问题的方案及选取1、三角波变换成正弦波由运算放大器单路及分立元件构成，方波三角波正弦波函数发生器电路组成如图1所示，由于技术难点在三角波到正弦波的变换，故以下将详细介绍三角波到正弦波的变换。 图1（1） 利用差分放大电路实现三角波正弦波的变换波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波

19、形变换过程如图2所示。由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。 图2方案一：用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器（2） 用二极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换 二极管折线近似电路 图3根据二极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换的原理图，可得其输入、输出特性曲线如入3所示。频率调节部分设计时，可先按三个频率段给定三个电容值：1000pF、0.01f、0.1F然后再计算R的大小。手控与压控部分线路要求更换方便。为满足对方波前后沿时间的要求，以及正弦波最高工作频率（10kHz）的要求，在积分器、

20、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放（如LF353）。为保证正弦波有较小的失真度，应正确计算二极管网络的电阻参数，并注意调节输出三角波的幅度和对称度。输入波形中不能含有直流成分。方案二：用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器（3）图是由A741和5G8038组成的精密压控震荡器，当8脚与一连续可调的直流电压相连时，输出频率亦连续可调。当此电压为最小值（近似为0）时。输出频率最低，当电压为最大值时，输出频率最高；5G8038控制电压有效作用范围是03V。由于5G8038本身的线性度仅在扫描频率范围10：1时为0.2%，更大范围（如1000：1）时线性度随之变坏，

21、所以控制电压经A741后再送入5G8038的8脚，这样会有效地改善压控线性度（优于1%）。若4、5脚的外接电阻相等且为R，此时输出频率可由下式决定： f=0.3/RC4 设函数发生器最高工作频率为2kHz，定时电容C4可由上式求得。 电路中RP3是用来调整高频端波形的对称性，而RP2是用来调整低频端波形的对称性，调整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。稳压管VDz是为了避免8脚上的负压过大而使5G8038工作失常设置的。方案三：用单片集成函数发生器5G8038可行性分析：上面三种方案中，方案一与方案二中三角波正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共通的地方就是都要认为地搭建波形变换的电路图。而方

22、案三采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，我们首先抛弃的是第三种方案，因为它是牺牲了成本来换取的方便。其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件，所以从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案一为我们最终的设计方案。1.4参数的确定1、 从电路的设计过程来看电路分为三部分：正弦波部分方波部分三角波部分2、 正弦波部分由于我们选取差分放大电路对三角波正弦波进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我们现在选择KSP2222A型的三极管，其静态曲线图像如右图所示。 根据KSP2222A的静态特性

23、曲线，选取静态 工作区的中心由直流通路有：20 k k因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：可得 3、 方波部分与三角波部分参数的确定根据性能指标可知由,可见f与c成正比，若要得到1Hz10Hz，C为10。10Hz100Hz,C为1。则=7.5k75k，则=5.1k则=2.4k或者=69.9 k取100 k由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为5v和14v，有=10k则47 k，=20 k根据方波的上升时间为两毫秒，查询运算放大器的速度，可以选择74141型号的运放。由此可得调整电阻：七、实务图的焊接和调试1、按照方案一的电路图焊接

24、好电路板。2、调试前，将电路板接入±12伏电压，地线与电源处公共地线连接.（1）频率范围:为便于测量,将电路板上的方波信号接入示波器,并合上C1=10µF的开关，断开C2=1uF的开关,然后调节RP2,并测出此时方波信号频率的变化范围;断开C1的开关,合上C2的开关,按照同样的方法调节RP2并记录方波信号频率的变化范围,结果如下: 电容频率10µF1Hz30Hz1uF27.47316Hz 以上频率并未完全到达要求的指标范围，经分析，原因在于：通过对比，发现频率范围整体下移，这里可能存在两个原因，第一是反馈通道上的存在磨损，使电阻值达不到计算的数值。第二是三角波运放

25、上的反向端的电阻也存在一样的问题。（2）输出电压： 方波： 电路板上方波信号接入示波器，调节RP1,测得方波峰峰Vpp=14V，可见所得值与性能指标中的一致。 三角波：撤除方波信号并接入三角波信号，调节RP1, 测得三角波峰峰值Upp=5V也能达到课题的要求。 正弦波：将正弦波信号接入示波器，调节RP3和RP4,测得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到达课题要求。3、波形特性测定: 方波上升时间: 将电路板上的方波信号接入示波器,调节示波器上周期调节旋钮,直到能清楚观测到方波信号上升沿处的跃变,测得方波上升时间为: tr=6.4µs分析：上升时间达不到要求，这个可以用换运放类型

26、来解决。通过改变运放的速度来改变其上升时间。 三角波非线形失真:撤除方波信号,将电路板上三角波信号接入示波器通道1,测得此时的三角波信号参数如下:频率: f=98.42Hz峰峰值: Upp=5V此时将实验台上函数发生器产生的三角波作为标准信号接入示波器的通道2,并调节其频率及峰峰值,使之与要测试的三角波信号参数一致(f=98.42Hz,Upp=5V).在示波器上的双踪模式下比较,发现两通道的三角波完全重合,说明无非线形失真. 正弦波严重失真:分析：由于调节平衡的滑动变阻器的一只引脚坏掉了，我自己拿一根导线将其接好，所以导致电路的不对成性，使得静态工作点偏离原定的位置，故导致此结果。七、调试与测

27、试 实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。1、调试前的检查 在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括：检查连线是否正确检查的方法通常有两种方法：（1） 按照电路图检查安装的线路。这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线

28、路，这样比较容易查出哪里有错误。（2） 按照实际线路来对照原理图电路进行查线。这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。检查元器件的安装情况检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。2 、调试方法与原则（1）通电观察把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包

29、括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。（2）静态调试交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。静态调试过程：如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。（3）动态调试调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。

30、通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。3、调试中注意的事项我们在调试时，为了保证效果，必须尽量减小测量误差，提高测量精度。调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。为此，需注意以下几点：（1） 正确使用测量仪器的接地端。（2） 测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为， 若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大误差。（3） 测量仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。（4） 要正确选择测量点，用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。（5） 调试过程中，不但要

31、认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。（6） 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.4、电路测试: 在对电路调试完后我们将对电路进行测试，在测试中我们主要是看能否实现其功能；如果能说明成功，不能要重新检查电路是否有问题。 八、元件清单集成运放2个LM741三极管PNP4个电阻2K,6.8k,8k,10k,20k,100k,电容0.1uF,1uF,10uF,47uF,407uF滑动变阻器2个电源正负12V九、心得体会通过这次设计，我的理论知识掌握得更扎实，动手能