胡桂彪的函数信号发生器设计模拟电子技术课程设计.docx
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胡桂彪的函数信号发生器设计模拟电子技术课程设计
模拟电子课程设计
——函数信号发生器
电气与信息工程系电子信息工程技术
班级:
电信0801班
设计人:
胡桂彪
学号:
08400230157
指导老师:
雷美艳
同组成员:
唐淋刘忠
时间:
2009年12月
前言
目前,计算机技术和半导体工艺技术已进入了前所未有的快速发展时期。
尤其是高度集成芯片作为一个子系统的应用,发展更是迅速,已成为新一代电子设备不可缺少的核心部件,其实在现实生活中的运用也是非常普遍。
在智能化仪器仪表中,而高度集成芯片以其高性能、高速度、功耗低、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用,是设计智能化仪器仪表的首选器件。
本课题我们组设计的是简易低频信号发生器,就用到了集成芯片ICL8038,能自动产生四种信号,它们就是方波、锯齿波、三角波、正弦波,有着很多的优点。
在科学研究、工程教育及生产实践中,如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域,常常需要用到低频信号发生器。
而在我们日常生活中,以及一些科学研究中,锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。
譬如在示波器、电视机等仪器中,为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像,常用到锯齿波产生器作为时基电路。
函数发生器作为一种通用的电子仪器,在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。
但市场上能看到的电子仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。
加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产,都使我们研制一种高精度、宽频带,能产生多种波形并具有程控等多功能函数发生器成为可能。
在本次课程设计中,我们在制作时候,遇到了不少问题,例如,PCB板老是出问题,不是布线很困难,出飞线,就是在印制时,经常断线,还有就是调试,这也是我们本次课程设计的重点之重,经过多次的调试,才得以完成。
所以,经过这次课程设计,不仅巩固了我们这学期所学的知识:
PROTEL99,PCB的制作,而且使我的设计能力及调试能力都有所提高。
在这次的课程设计中,非常感谢老师及同学给我的帮助,得到你们的帮助,我才能如此成功,谢谢!
由于时间仓促及我的水平有限,文档内容难免有错,敬请老师提出批评并指正。
设计者
2009年12月
目录
第1章设计任务书…………………………………………………………1
1.1设计任务………………………………………………………………1
1.2设计目的………………………………………………………………1
1.3设计要求与技术指标…………………………………………………1
第2章简易函数发生器……………………………………………………2
2.1简易函数发生器的基本介绍…………………………………………2
2.2简易函数发生器的主要功能…………………………………………2
2.3简易函数发生器的简单的应用………………………………………2
第3章提出、分析、确认方案及其论证…………………………………3
3.1〖方案一〗……………………………………………………………3
3.2〖方案二〗……………………………………………………………3
3.3〖方案三〗……………………………………………………………4
3.4〖方案四〗……………………………………………………………4
第4章理论分析与设计方案的建立……………………………………5
4.1ICL8038的工作原理………………………………………………5
4.2ICL8038组成函数发生器的应用…………………………………7
第5章电路设计说明……………………………………………………8
5.1硬件电路设计原理图………………………………………………8
5.2电路参数的选择……………………………………………………9
5.3硬件电路PCB图…………………………………………………10
5.4原理的说明………………………………………………………10
第6章电路的EDA实现及其仿真分析………………………………11
第7章电路的调试与检测………………………………………………13
7.1调试前的检查(静态)……………………………………………13
7.2动态调试……………………………………………………………14
7.3调试中注意的事项…………………………………………………16
第8章实验数据及其分析……………………………………………17
第9章元件清单……………………………………………………18
第10章方案的评价与改进………………………………………………18
第11章设计总结与体会…………………………………………………19
附录一部分符号系统…………………………………………………21
附录二PCB板的制作…………………………………………………21
附录三焊接技术………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………………23
第1章设计任务书
1.1设计任务
1、进行设计方案的比较,并选定设计方案;
2、完成电路的设计和主要元器件说明;
3、完成硬件原理图设计和PCB图设计;
4、安装各单元电路,要求布线整齐,美观。
1.2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子电路小系统。
1.3设计要求与技术指标
1、设计要求
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、在面包板上或万能板上安装电路;
F、测量输出信号的幅度和频率;
H、写出设计性报告。
扩展要求:
输出信号的幅度和频率要求连续可调,幅度范围为0-5V,频率范围100Hz-10KHz。
2、技术指标
频率范围:
100Hz-1KHz,1KHz-10KHz;输出电压:
方波VP-P≤24V,三角波VP-P=6V,正弦波VP-P=1V;方波tr小于30uS。
第2章简易函数发生器
2.1简易函数发生的基本介绍
简易函数信号发生器,也叫函数发生器,它能输出方波、锯齿波、三角波及正弦波四种波形,由双电源或单电源供电。
它由触发器、比较器、积分器、反向器等基本电路组成的,通过调节电容或者电阻能够改变波形的频率和幅值。
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域,经常需要用到各种各样的信号发生器。
随着集成电路的迅速发展,用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。
用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比,其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标,都有了很大的提高。
2.2简易函数发生器的主要功能
函数信号发生器是一种常用的信号源,这个多功能信号发生器具有以下一些主要功能:
(1)它具有产生正弦波、方波、三角波及锯齿波四种周期性波形的功能。
(2)它具有快速、方便地能调节所产生信号的频率和幅度。
(3)它一般具有能显示所产生信号的频率和幅度。
2.3简易函数发生器的简单应用
简易函数发生器广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。
目前使用的信号发生器大部分是利用分立元件组成的体积大,可靠性差,准确度低。
该设计使用的是以ICL8038集成块为核心器件构成的发生器,ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz~30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等多种波形。
输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。
另外由于该芯片具有调制信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调节,设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。
还有即使在日常维修中,函数信号发生器也是不可缺少的工具。
本设计函数发生器能够产生稳定的正弦波、三角波、方波,且输出频率在100Hz~1KHz或1KH~Z10KHZ范围之中连续可调,输出电压幅度在0~5V连续可调。
总之函数信号发生器在人类中有着广泛的应用,促进社会的发展具有不可估量的价值意义。
第3章提出、分析、确认方案及其论证
函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波等电压波形,其电路中使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以是集成电路(如单片集成电路函数发生器ICL8038),所以可确定多种多样的方案。
下面是我组成员共同探讨的几个构造函数发生器的优选方案。
3.1〖方案一〗
氏电桥产生正弦振此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;由文荡,然后通过比较器得到方波,方波积分可得三角波。
这一方案为一开环电路,结构简单,产生的正弦波和方波的波形失真较小。
但是对于三角波的产生则有一定的麻烦,因为题目要求有10倍的频率覆盖系数,然而对于积分器的输入输出关系为:
显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。
而这是电路所不希望的。
幅度稳定性难以达到要求。
而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。
3.2〖方案二〗
也可先产生三角波-方波,再将三角波变成正弦波。
如下框图所示。
由积分器和比较器同时产生三角波和方波。
其中比较器起电子开关的作用,将恒定的正、负极性的
三角波
电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。
该电路的优点是:
a、线性良好、稳定性好;
b、频率易调,在几个数量级的频带范围内,可以方便地连续地改变频率,而且频率改变时,幅度恒定不变;
c、不存在如文氏电桥那样的过渡过程,接通电源后会立即产生稳定的波形;
d、三角波和方波在半周期内是时间的线性函数,易于变换其他波形。
3.3〖方案三〗
用单片集成芯片IC8038实现,此方案要求幅度和频率都可调,可由数字电位器加程控放大器实现。
它是一种多用途的波形发生器,可以用来产生正弦波,方波,三角波和锯齿波,其震荡频率可以通过外加电压进行调节,又称压控集成信号发生器。
利用8038芯片的优点是十分明显如下:
a、集成度比较高,工作可靠性高,速度快,功耗低,输出稳定。
b、构成的电路简单,所用的元件少,布线容易。
c、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器和FSK调制器。
d、具有在温度发生变化时产生低的频率漂移,最大不超过50ppm/℃;正弦波输出具有低于1%的失真度;三角波输出具有0.1%高线性度。
e、具有0.001Hz~1MHz的频率输出范围;工作变化周期宽,2%~98%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。
3.4〖方案四〗
用单片机和A/D转换器实现,编写相应的程序即可实现。
如采用一片AT89S51单片机和DAC0832数模转换器组成的智能数字式低频信号发生器。
按用户的需要,选择运行不同的程序,将会得到不同的波形信号。
再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路以及放大整形电路,就完成了一个频率可调的多功能信号发生器的设计。
我们对几个方案的认真比较,我们可以发现对于我们现在来说方案三为最优方案,其设计方法简单,元器件较少,而且能同时产生几种波形,可以较好地减少波形失真;方案一的设计电路结构复杂,元器件多,而且波形是分段产生的这样就容易引起波形失真,但是其设计方法清晰,元器件便宜,有一定的可取性;方案二的设计介于两种设计方案之间,其设计电路比方案一简单比方案三复杂,元器件比方案一少比方案二多,电路引起的波形失真也介于两个方案之间;而方案四我们很明显地看出来有着其它方案不具备的优点,但这需要我们自己编写相应的程序,就要求我们的EDA技术基础达到一定的水平,而且我们对单片机了解极小,带来了一定的困难,因此我们没有采取这种方案。
我们考虑到实验电路的简单、稳定性好和性能优越,于此本实验中我们用单片集成芯片IC8038为主要器材实现电路的设计过程。
第4章理论分析与设计方案的建立
4.1IC8038的工作原理
采用8038集成电路,它的内部结构和外观图如下面图一和图二所示:
图3-1ICL8038内部原理电路框图
图3-28038管脚图
管脚说明:
1.正弦波线性调节;2.正弦波输出;3.三角波输出;4.恒流源调节;5.恒流源调节;6.正电源;7.调频偏置电压;8.调频控制输入端;9.方波输出(集电极开路输出);10.外接电容;11.负电源或接地;12.正弦波线性调节;13、14.空脚。
在图一中,由手册和有关资料可看出,IC8038由恒流源I1、I2,电压比较器C1、C2和触发器①等组成。
电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3(其中VR=VCC+VEE),电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,且I2必须大于I1。
当触发器的Q端输出为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开。
而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压vC随时间线性上升,当vC上升到vC=2VR/3时,比较器C1输出发生跳变,使触发器输出Q端由低电平变为高电平,控制开关S使电流源I2接通。
由于I2>I1,因此电容C放电,vC随时间线性下降。
当vC下降到vC≤VR/3时,比较器C2输出发生跳变,使触发器输出端Q又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,vC又随时间线性上升。
如此周而复始,产生振荡。
若I2=2I1,vC上升时间与下降时间相等,就产生三角波输出到脚3。
而触发器输出的方波,经缓冲器输出到脚9。
三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。
当I1 因此,8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。 4.2ICL8038组成函数发生器的应用 由图3-2可见,管脚8为调频电压控制输入端,管脚7输出调频偏置电压,其值(指管脚6与7之间的电压)是(VCC+VEE/5),它可作为管脚8的输入电压。 此外,该器件的方波输出端为集电极开路形式,一般需在正电源与9脚之间外接一电阻,其值常选用10k左右,如图3-3所示。 当电位器Rp1动端在中间位置,并且图中管脚8与7短接时,管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。 电路的振荡频率f约为0.3/[C(R1+RP1/2)]。 调节RP1、RP2可使正弦波的失真达到较理想的程度。 在图3-3中,当RP1动端在中间位置,断开管脚8与7之间的连线,若在+VCC与-VEE之间接一电位器,使其动端与8脚相连,改变正电源+VCC与管脚8之间的控制电压(即调频电压),则振荡频率随之变化,因此该电路是一个频率可调的函数发生器。 如果控制电压按一定规律变化,则可构成扫频式函数发生器。 电路图: 第5章电路设计说明 5.1电路设计图 由以上理论分析及技术指标可设计ICL8038组成的函数发生器电路实验图如下图4-1所示: 图4-1函数发生器实验电路图 5.2电路参数的选择 图4-1函数发生器实验电路图各元件参数选择原则如下: C1: C1为滤波电容,其取值视8脚的波形而定,主要用来消除8脚的的寄生交流电压,若含高次谐波成分较多,则C1一般为几十皮法至0.1uF。 在这里我们选用0.1uF。 C2、RA、RA、Rp2: 电阻RA和RB及电容C2构成调频回路。 因为输出频率为100Hz-1KHz,1KHz-10KHz,所以取C2=4700pF,Rp2=1KΩ,RA=RB=4.7KΩ。 RL: 方波输出端为集电极开路形式,一般在正电源与9脚之间接一电阻,其值通常取RL=15KΩ。 Rp1及R1: 电阻R1及电位器Rp1用来确定8脚的直流电位V8,通常取V8≥2/3VCC。 这里取R1=20KΩ,Rp1=10KΩ。 Rp3及Rp4: Rp3及Rp4用来用来改善正弦波的正负向失真及调节正弦波及三角波的幅度。 这里取Rp3=Rp4=100KΩ。 5.3电路PCB图 生成PCB图如下: 图4-2函数发生器PCB图 5.4原理说明 由图4-1和图4-2及8038的原理结构可以知道,通过改变电容可以调节整个波形的频率范围,这是粗调,相对而言,调节R1可是达到某个频率,这是细调。 7脚和8脚短节可以使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C2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。 其中T=t1+t2,f=1/T,由于三角函数信号在电容充电时,电容电压上升到比较器规定输入电压的1/3倍,分得的时间为t1=(C2+1/3•Vcc•RA)/(1/5•Vcc)=5/3RA•C2在电容放电时,电压降到比较器输入电压的1/3时,分得的时间为t2=(C2+1/3•VCC)/(2/5•VCC•RB-1/5•VCC/RA)={5RA•C2•[1+RB/(2RA-RB)]}/3;而f=1/(t1+t2)=3/{5RA•C2•[1+RB/(2RA-RB)]} 如果RA=RB,就可以获得占空比为50%的方波信号。 其频率f=3/(10RA•C2)。 按照设计要求,方波VP-P≤24V,三角波VP-P=6V,正弦波VP-P=1V,在8038的2、3、9脚后面接调幅电路。 第6章电路的EDA实现及其仿真分析 在这里我们主要对此实验的输出瞬时进行了分析,通过在1K~10K的范围内对电位器Rp1的调节,我们可以得到频率覆盖1K~10KHz的各输出波形。 两个边界频率的瞬态分析结果见以下诸图: 10KHz三角波0dB–20dB–30dB输出图(Protel99SESIM99仿真) 10KHz方波0dB–20dB–30dB输出图(Protel99SESIM99仿真) 10KHz正弦波0dB–20dB–30dB输出图(Protel99SESIM99仿真) 1KHz三角波0dB–20dB–30dB输出图(Protel99SESIM99仿真) 1KHz方波0dB–20dB–30dB输出图(Protel99SESIM99仿真) 1KHz正弦波0dB–20dB–30dB输出图(Protel99SESIM99仿真) 第7章电路的调试与检测 7.1调试前的检查 电子电路的调试通常有以下两种调试电路的方法: 第一种方法是采用边安装边调试的方法。 把一个总电路按框图上的功能分成若干单元电路分别进行安装和调试,在完成各单元电路调试的基础上逐步扩大安装和调试的范围,最后完成整机调试。 对于新设计的电路,此方法既便于调试,又可及时发现和解决问题。 该方法适于课程设计中采用。 第二种方法是整个电路安装完毕,实行一次性调试。 这种方法适于定型产品。 调试时应注意做好调试记录,准确记录电路各部分的测试数据和波形,以便于分析和运行时参考。 电子电路一般检查与调试步骤: 7.1.1通电前检查 电路安装完毕,首先直观检查电路各部分接线是否正确,检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路,器件有无接错。 7.1.2通电检查 接入电路所要求的电源电压,观察电路中各部分器件有无异常现象。 如果出现异常现象,则应立即关断电源,待排除故障后方可重新通电。 7.1.3单元电路调试 在调试单元电路时应明确本部分的调试要求,按调试要求测试性能指标和观察波形。 调试顺序按信号的流向进行,这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整机联调创造条件。 电路调试包括静态和动态调试,通过调试掌握必要的数据、波形、现象,然后对电路进行分析、判断、排除故障,完成调试要求。 电子安装完毕应仔细检查: (1)连线是否正确 a.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路,这样比较容易查出哪里有错误。 b.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。 (2)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。 (3)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。 (4)静态调试 当连好电路板的线路时,先不要急着通电,而因该从以下几个方面进行检测: A、对照原理图,用万用表一一检查线路的各个接口是否接通,是否有短路、断路或漏接的现象,如果有,因该及时改好电路连线。 B、对照原理图,检查各元件是否接正确。 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: 例如,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 (5)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。 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。 7.2动态调试 1、频率范围的测试 接通电源,用示波器对电路实物进行测试。 将示波器输入端接入信号,调节电位器Rp1,测得其频率范围为: 300HZ~3.6KHZ。 2、方波的测试 将示波器输入端接9脚,可得到方波的输出波形,其输出电压 VP-P=20.1V。 输出波形如图5-1所示: 图5-1 3、三角波的测试 将示波器输入端接3脚,可得到三角波输出波形,由于三角波的幅度可调,可得到三角波的Vpp为: 7.5V。 输出波形如图5-2所示: 图5-2 4、正弦波的测试 将示波器输入端接2脚,可得到正弦波输出波形,由于正弦波的幅度可调,所以调节可得到正弦波的Vpp为: 5.0V。 输出波形如图5-3所示: 图5-3 7.3调试中注意的事项 为了保证效果,必须减小测量误差,提高测量精度。 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的误差。 (3)仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。 要正确选择测量点。 (4)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
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