模電課程設(shè)計(jì)

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模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題目：　 　　多功能三角波產(chǎn)生器 　 院 系：工學(xué)院電氣與電子工程系 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 姓 名： 　 　 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 二〇一六 年 十二 月 多功能三角波產(chǎn)生器 摘 要 信號發(fā)生器根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的信號發(fā)生器，其電路中使用的器件可以是分離器件，也可以是集成器件，產(chǎn)生方波、正弦波、三角波的方案也有多種 本系統(tǒng)以ICL8038集成塊為核心器件，制作一種函數(shù)信號發(fā)生器，制作成本較低。適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測量使用。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。 關(guān)鍵詞：ICL8038 方波 正弦波 三角波  　　　　　　　 目錄 第1章 緒論 1 1.1 項(xiàng)目概況 1 1.2 項(xiàng)目的意義 1 1.3 設(shè)計(jì)要求 2 第2章 方案的選擇及論證 3 2.1 設(shè)計(jì)方案 3 2.1.1 方案一 3 2.1.2 方案二 3 2.2 方案選取及論證 4 第三章 電路的設(shè)計(jì)過程 5 3.1 信號發(fā)生器原理圖 5 3.2 電路主要元件的分析 5 3.2.1 ICL8038 管腳功能圖及實(shí)物圖 5 3.2.2 ICL8038的性能特點(diǎn) 6 3.2.3 ICL8038的工作原理 7 3.3 系統(tǒng)電路的仿真 8 3.5 電源電路的設(shè)計(jì) 11 3.5.1 電源電路的原理 11 3.5.2 電源電路的仿真 11 第四章 元器件的選擇 13 總結(jié) 14 參考文獻(xiàn) 15 第1章 緒論 1.1 項(xiàng)目概況 信號發(fā)生器根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的發(fā)生器,其電路中使用的器件可以是分離器件,也可以是集成器件,產(chǎn)生方波,正弦波,三角波的方案有多種,如先產(chǎn)生正弦波,根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關(guān)系,再通過整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波,經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣?。也可以先產(chǎn)生三角波-方波,再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,新材料新器件層出不窮,器件的可選擇性大幅增加,例如ICL8038就是一種技術(shù)上很成熟的可以產(chǎn)生正弦波,方波,三角波的主芯片。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、精度高、易于用等優(yōu)點(diǎn)，外部只需接入很少的元件即可工作，可同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外電壓控制，可被應(yīng)用于壓控振蕩等波形。 1.2 項(xiàng)目的意義 信號發(fā)生器是科研及工程實(shí)踐中重要的儀器之一，在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試過程中，用不同頻率的正弦波、三角波和方波常作為信號源，應(yīng)用十分方便。過去常由分立元件及集成運(yùn)放構(gòu)成振蕩器，分立元件體積大、相對耗能高、故障頻率也高。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可以很快、很方便的構(gòu)成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有很大的提高[1]。  1.3 設(shè)計(jì)要求 （1）輸出波形頻率范圍為0.02Hz∽20kHz且連續(xù)可調(diào)； （2）正弦波幅值為10V，失真度小于2%； （3）方波幅值為10V； （4）三角波峰-峰值為20V； （5）各種波形幅值均連續(xù)可調(diào)； （6）設(shè)計(jì)電路所需的直流電源。 第2章 方案的選擇及論證 2.1 設(shè)計(jì)方案 2.1.1 方案一 采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。此方案中信號發(fā)生器電路組成框圖如圖2-1,由比較器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性[1]。 圖 2-1 函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖 2.1.2 方案二 利用單片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038、集成振蕩器、電位器等外圍電路靈活的組成，使通過電源來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等波形電路。工作原理整體框圖如圖2-2 幅度控制 方波 ICL8038 頻率選 擇控制 三角波 正弦波 直流電源 圖 2-2 ICL8038電路組成框圖 本系統(tǒng)以ICL8038集成塊為核心器件，制作一種函數(shù)信號發(fā)生器，制作成本較低。適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測量使用。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)制信號輸入端，所以可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制[2]。 2.2 方案選取及論證 經(jīng)過分析比較，由于方案一函數(shù)發(fā)生器所采用電路復(fù)雜，不易理解，更不容易掌握，所以本課題采用方案二用單片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038、集成振蕩器、集成定時(shí)器等靈活的組成來產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等波形電路，具有線路簡單，調(diào)試方便，功能完備，輸出波形穩(wěn)定清晰，信號質(zhì)量好，精度高，系統(tǒng)輸出頻率范圍較寬且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。特別適合用于工控和電子實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)輸出緩沖電路獨(dú)立設(shè)置多路時(shí)，可同時(shí)多路輸出三種信號，比較容易滿足設(shè)計(jì)需要。 第三章 電路的設(shè)計(jì)過程 3.1 信號發(fā)生器原理圖 由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波是由三角波經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度而設(shè)置的。圖3-1為一個(gè)調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度的典型應(yīng)用，其中第1腳調(diào)節(jié)振蕩電容充電時(shí)間過程中的非線性逼近點(diǎn)，第12腳調(diào)節(jié)振蕩電容在放電時(shí)間過程中的非線性逼近點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中，兩只100K的電位器應(yīng)選擇多圈精度電位器，反復(fù)調(diào)節(jié)，可以達(dá)到很好的效果，圖3-1即為產(chǎn)生三種波形的函數(shù)發(fā)生器的原理圖[2]。 圖3-1 函數(shù)發(fā)生器原理圖 3.2 電路主要元件的分析 3.2.1 ICL8038 管腳功能圖及實(shí)物圖 腳1、12 （Sine Wave Adjust）：正弦波失真度調(diào)節(jié)； 腳2（Sine Wave Out）：正弦波輸出； 腳3（Triangle Out）：三角波輸出； 腳4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)；腳6（V＋）：正電源10V～18V；腳7（FM Bias）：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸；腳8(FM Sweep)：外部掃描頻率電壓輸入；腳9（Square Wave Out）：方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)；腳10（Timing Capacitor）：外接振蕩電容；腳11（V－ or GND）：負(fù)電原或地；腳13、14（NC）：空腳[5]。 圖3-2 ICL8038 管腳功能圖 圖3-3 ICL8038實(shí)物圖 3.2.2 ICL8038的性能特點(diǎn)[5] （1）具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過50ppm／℃。 （2）正弦波輸出具有低于1％的失真度。 （3）三角波輸出具有0．1％高線性度。 （4）具有0．001Hz～1MHz的頻率輸出范圍；工作變化周期寬。 （5）2％～98％之間任意可調(diào)；高的電平輸出范圍。 （6）從TTL電平至28V。 （7）具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號輸出。 （8）易于使用，只需要很少的外部條件。 3.2.3 ICL8038的工作原理 ICL8038 是單片集成函數(shù)信號發(fā)生器，其內(nèi)部框圖如圖3-4所示。它由恒流源I1和 I2、電壓比較器A和B、觸發(fā)器、緩沖期和三角波變正弦波電路等組成。 圖3-4 內(nèi)部框圖 外接電容C由兩個(gè)恒流源充電和放電，振蕩電容C由外部接入，它是由內(nèi)部兩個(gè)恒流源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態(tài)是由恒流源1對電容器C連續(xù)充電，增加電容電壓，從而改變比較器的輸入電平，比較器的狀態(tài)改變，帶動觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來連續(xù)控制的。當(dāng)觸發(fā)器的狀態(tài)使恒流源2處于關(guān)閉狀態(tài)，電容電壓達(dá)到比較器1輸入電壓規(guī)定值的2／3倍時(shí)，比較器1狀態(tài)改變，使觸發(fā)器工作狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將模擬開關(guān)K由B點(diǎn)接到A點(diǎn)。由于恒流源2的工作電流值為2I，是恒流源1的2倍，電容器處于放電狀態(tài)，在單位時(shí)間內(nèi)電容器端電壓將線性下降，當(dāng)電容電壓下降到比較器2的輸入電壓規(guī)定值的1／3倍時(shí)，比較器2狀態(tài)改變，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)回到原來的狀態(tài)，這樣周期性的循環(huán)，完成振蕩過程。 在以上基本電路中很容易獲得4種函數(shù)信號，假如電容器在充電過程和在放電過程的時(shí)間常數(shù)相等，而且在電容器充放電時(shí)，電容電壓就是三角波函數(shù)，三角波信號由此獲得。由于觸發(fā)器的工作狀態(tài)變化時(shí)間也是由電容電壓的充放電過程決定的，所以，觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生方波函數(shù)信號，在芯片內(nèi)部，這兩種函數(shù)信號經(jīng)緩沖器功率放大，并從管腳3和管腳9輸出。適當(dāng)選擇外部的電阻RA和RB和C可以滿足方波函數(shù)等信號在頻率、占空比調(diào)節(jié)的全部范圍。因此，對兩個(gè)恒流源在I1和I2電流不對稱的情況下，可以循環(huán)調(diào)節(jié)，從最小到最大，任意選擇調(diào)整，所以，只要調(diào)節(jié)電容器充放電時(shí)間不相等，就可獲得鋸齒波等函數(shù)信號。正弦函數(shù)信號由三角波函數(shù)信號經(jīng)過非線性變換而獲得。利用二極管的非線性特性，可以將三角波信號的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率[3]。 3.3 系統(tǒng)電路的仿真 函數(shù)發(fā)生器的電路是在proteus中畫出原理電路圖并進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求是產(chǎn)生方波、三角波、正弦波，所以ICL8038的4管腳5管腳的外接電阻一定要相等才能產(chǎn)生占空比為50%的矩形波即方波，才可以產(chǎn)生三角波。如果占空比不為50%產(chǎn)生的波形就為鋸齒波。通過計(jì)算將4腳5腳的外接電阻都設(shè)為4.7K，外接電源為正負(fù)12V的直流電源，調(diào)節(jié)可變電阻器的阻值就可以產(chǎn)生頻率范周為0.02Hz~20kHz的方波、三角波和正弦波[4]。 圖3-5 總體電路的仿真 圖3-6 正弦波仿真圖 圖3-7 三角波仿真圖 圖3-8 方波仿真圖 3.5 電源電路的設(shè)計(jì) 3.5.1 電源電路的原理 直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成，見圖3-9 圖3-9 直流穩(wěn)壓電源方框圖 其中：電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。 整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電 濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。 穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化[2]。 3.5.2 電源電路的仿真 電路是在proteus中畫出原理電路圖并進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)[4]。 圖3-10 供電電路的仿真圖 第四章 元器件的選擇 由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器有兩種工作方式，即輸出函數(shù)信號的頻率調(diào)節(jié)電壓可以由內(nèi)部供給，也可以由外部供給。在以上應(yīng)用中，由于第7腳頻率調(diào)節(jié)電壓偏置一定，所以函數(shù)信號的頻率和占空比由R1、R2和C決定，其頻率為F，周期T，t1為振蕩電容充電時(shí)間，t2為放電時(shí)間。 T＝t1＋t2 f＝1／T 由于三角函數(shù)信號在電容充電時(shí)，電容電壓上升到比較器規(guī)定輸入電壓的 1／3倍，分得的時(shí)間為 t1=CV/I=(C+1/3?Vcc?R1)/(1/5?Vcc)=5/3R1?C 在電容放電時(shí)，電壓降到比較器輸入電壓的1／3時(shí)，分得的時(shí)間為 t2＝CV／I＝(C＋1/3?VCC)/(2/5?VCCR2－1/5?VCC/RA)＝(3/5?R1＊R2?C)/(2R1－R2)f＝1／（t1＋t2）＝3／｛5R1C［1＋R2／（2R1－R2）］｝ 如果R1＝R2，就可以獲得占空比為50％的方波信號。其頻率f＝3／（10R1C）。 由于該芯片所產(chǎn)生的正弦波是由三角波經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度而設(shè)置的。其中第1腳調(diào)節(jié)振蕩電容充電時(shí)間過程中的非線性逼近點(diǎn)，第12腳調(diào)節(jié)振蕩電容在放電時(shí)間過程中的非線性逼近點(diǎn)，在安裝調(diào)試中，我們選用兩只100K的多圈精密電位器，反復(fù)調(diào)節(jié)，達(dá)到了很好效果的方波占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)。 我們采用外部供給頻率調(diào)節(jié)電壓的方式實(shí)現(xiàn)頻率的可調(diào),通過10k電位器，我們可以控制8端電壓的調(diào)節(jié)范圍2/3Vcc到Vcc[3]。 總結(jié) 在本次課題設(shè)計(jì)中使用了ICL8038單片函數(shù)波形發(fā)生器，利用ICL8038制作出來的函數(shù)發(fā)生器具有線路簡單，調(diào)試方便，功能完備，可輸出正弦波、方波、三角波，輸出波形穩(wěn)定清晰，信號質(zhì)量好，精度高，系統(tǒng)輸出頻率范圍較寬且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，而且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。特別適合用于工控和電子實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)輸出緩沖電路獨(dú)立設(shè)置多路時(shí)，可同時(shí)多路輸出三種信號，比較容易滿足實(shí)驗(yàn)需要。 參考文獻(xiàn) [1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第五版) [M].北京：高等教育出版社，2006. 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