函数发生器的设计与制作.doc

第一章 绪论函数信号发生器本来是一种超低频仪器，不打为所注意，但近几年来，情况发生了极大的变化。现在函数发生器，不仅可以产生各种各样的数学波形，而且还具有某些专用仪器的能力，如频率合成、扫描、调制（调幅、调频与调相）。以上这些功能在台式函数发生器与调控函数发生器与程控函数发生器之间权衡选用，前者常被称作“便携式”，后者通常用于自动测试的设备中。由于函数发生器性能价格比较很好，应用范围日益扩大。据报道，函数发生器在国外已成为设计人员在工作台上不可缺少的信号源。所有先进的函数发生器都具有这样或那样的灵活性，由外部电压选择发生器的频率是它的共同点；另一特点是，滞留偏置可调，可按具体实验要求调节输出信号的直流电平。波形空度比可调。因而波形形状可变。许多函数发生器具有可调的起/止相位鉴别器，相位锁定，以及具有触发输入或门控输出的选择，有的发生器还可以借操作人员把伪隨机噪声加到波形上，以使用于噪声环境，也可以把所有产生的信号相位锁定于外接源的相位上。第二章 总体电路方案设计与选择2.1设计要求1. 输出的各种波形工作频率范围0.02Hz1kHz连续可调。2. 正弦波幅值10V，失真度小于1.5。3. 方波幅值10V。4. 三角波峰峰值20V；各种输出波形幅值均连续可调。2.2设计的基本方案方案一：由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波。由运算放大器进行设计,如图2-2所示： 图2-2函数发生器原理图1采用振荡电路获得正弦波,再由比较器获得方波,最后通过积分电路获得三角波。方案二：用ICL8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后ICL8038的9、3、2引脚就可分别产生方波、三角波、 正弦波，频率调节部分通过其它的引脚接外电路来完成 .然后从ICL8038出来经过选择开关选择所需波形进入LM31D8进行放大和幅度调节，最后从LM31D8出来的波即为频率和幅度可调的方波，三角波和正弦波 。 采用集成片ICL8038做函数信号发生器，这是一种集成度很高的芯片，只要外加上电源，就能得到很完美的波形。方案三：采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。方案四：利用比较器产生方波，后用积分器产生三角波，经过擦、差分放大器产生正弦波。采用比较器和积分器分别获得方波和三角波,再用晶体三极管组成的差分放大电路做三角波到正弦波的转换，如图2-2： 图2-2数发生器原理图3可行性分析：在以上四种方案，方案一：用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难控制，不易调试，可调范围小；方案二中，应用芯片，由运放，电位器等组成的多功能函数信号发生器，精确度高，但过于复杂；方案三，知识所限，复杂；方案四，产生信号相对简单。所以选择第四种方案。 比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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时，可以有效地抑制零点漂移，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2.3选择的最终设计方案：第四种方案。第三章 函数发生器总体设计3.1原理框图图3-1 原理框图3.2组成部分1.电源2.比较器3.积分器4差分放大器3.3原理振荡电路主要产生具有一定频率要求的信号。它决定了函数发生器的输出信号的频率调节范围、调节方式和频率的稳定度；在要求不高的场合，电路往往以需要产生的波形中的一种信号作为振荡信号。常用的振荡器有脉冲振荡器和正弦波振荡器。该部分主要考虑信号频率调节范围和频率的稳定度。波形变换器功能是对振荡源产生的信号进行变换和处理，形成各种所需的信号波形。重点考虑波形的失真问题，通过采取各种措施尽可能使波形失真减少。输出电路是对各路波形信号进行幅度均衡和切换，并完成信号幅度的调节、功能；重点考虑输出端的特性，如输出波形的最大幅值、输出功率和输出阻抗等。第四章 函数发生器的单元电路设计4.1电源的设计如图4-1是由LM117和LM137组成的正、负输出电压可调的稳压器。电路中的VREF=V31(或V21)=1.2V,R1=R1=(120240)，为保证空载情况下输出电压稳定。该电路输出电压调节范围确定。该电路输入电压V1分别为25V，则输出电压可调范围为(1.220)V图4-1电源工作原理图4.2方波-三角波转换的电路设计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。方波-三角波转换工作原理如图4-2所示图4-2波-三角波转换工作原理图方波-三角波转换工作原理分析图如图4-3，4-4所示图4-3-三角波转换工作原理分析图1图4-4波-三角波转换工作原理分析图2此电路的工作原理： 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 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 比较器的门限宽度由以上公式可得比较器的电压传输特性。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为时，时，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。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-三角波的幅度为方波-三角波的频率f为结论：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。若要求通频率的范围较宽，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。4.3三角波-正弦波转换的电路设计三角波-正弦波转换工作原理如图4-5所示图4-5三角波-正弦波转换工作原理图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：式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区；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。三角波-正弦波转换工作原理分析图如图4-6所示图4-6三角波-正弦波转换工作原理分析图第五章 整体电路设计5.1总电路图设计总电路图设计如图5-1所示 图5-1方波-三角波-正弦波函数发生电路总的设计思路是首先通过比较器产生方波，然后经过积分电路产生三角波，最后通过差分放大器产生正弦波。5.2元件参数的计算比较器和积分器的元件参数计算如下：由理论分析知道比较器的输出电压即约等于电源电压,为了输出峰峰值为16v的方波电压,因此选择电源电压为8v和-8v.要求输出的三角波峰峰值为4v,即是要求 R2/(R3+RP1)=2/8=1/4,则可以取R2=10K,R3=20K,RP1=47K.平衡电阻R1=R2/(R3+RP1)约等于10k。由频率输出的表达式 R4+RP2=R3+RP1/(4R2C2f) 知道：当1Hzf10Hz时,取电容C1=10uf,R4=5.1K,RP2=100k。当10Hzf100Hz时,取电容C2=1uf,来实现频率波段的转换,R4和RP2的值不变.取平衡电阻R5=10K。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，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，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。第六章 课设总结本设计应用比较器、积分器、参分放大器。实现了具有正弦波幅值10V，失真度小于1.5。方波幅值10V。三角波峰峰值20V；各种输出波形幅值均连续可调功能的函数发生器。由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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时，可以有效地抑制零点漂移，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。通过此次设计，知道了函数信号发生器的设计原理，也大致知道了各个信号的发出原理和各个波形的特性。第七章 参考文献1 刘丹.例说8051.北京：人民邮电出版社2 曾兴雯 陈健 刘乃安.高频电子线路辅导.西安：西安电子科大出版社3 林涛数字电子技术清华大学出版社2006年6月（ISBN 978-7-302-12064-3）4 李群芳.单片微型计算机与接口技术(第二版).北京：电子工业出版社5 黄志伟全国大学生电子设计竞赛北京航天航空大学出版社2007年2月（ISBN978-7-81077-983-8）6 蒋立培.单片危机系统使用教程.北京：机械工业出版社7 谢自美.电子线路设计实验测试（第三版）.湖北：华中科技大学出版社8 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社9 谢沅清.模拟电子线路.成都：成都电子科大学出版社 10 张肃文.高频电子线路（第三版）：高教出版社附录 元器件清单序号名称规格数量备注1电阻10k82电阻20k13电阻5.1k14电阻6.8k25电阻2k26电阻8k17电阻100k18电解电容470uf316v9电解电容10uf125v10电解电容1uf111磁片电容0.1uf112电位器047K213电位器0100K114电位器0100K115三极管NPNC9019416运算放大器741217电源18电源19电源820电源8