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1、课程设计报告暨燧工寺院多种波形发生器专业电子信息工程学生姓名马跃班级B电子062学号0610620231指导教师孙宏国完成日期2008年10月25口摘要：正弦波和非正弦波发生电路常作为信号源被广泛地应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。通常把既能产生正弦波又能产生三角波、方波、锯齿波等非正弦输出信号的电路叫作函数信号发生器。在电子技术应用领域，要求信号源的温度、频率的稳定性都比拟高。介绍的5G8038是一种性能稳定、精度较高的集成芯片。介绍了用5G8038设计多功能函数信号发生器的方法。关键字：5G8038；直流稳压电源；频率选择控制一、目录：一.课程目的二.设计任务与要求三.总体方
2、案设计四.电路设计原理与参考电路4.1总体电路框图4.2设计思路五.单元电路的设计说明5.1方波发生电路的工作原理5.2 方波一-三角波转换电路的工作原理5.3 三角波-一正弦波转换电路的工作原理六.总体电路6.1 总电路图6.2 元器件的选择和电路参数计算的说明七.具体过程7.1 函数发生器5G8038的指标和应用7.2 直流稳压电源7. 3频率控制八.设计小结九.参考文献一、课程目的1 .培养学生查阅资料的能力2 .培养学生综合运用所学知识的能力3 .培养学生综合设计和实践能力4 ,培养学生团队精神5 .培养学生市场素质6 .培养学生撰写课程设计总结报告的能力二.设计任务和要求波形的产生及
3、变换电路是应用极为广泛的电子电路，现设计并制作能产生方波、三角涉及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。要求：1 .输出的各种波形工作频率范围0.02Hz20kHz连续可调；2 .正弦波幅值1Ov,失真度小于1.5%3 .方波幅值1Ov4 .三角波波峰峰值20v;各种输出波形幅值均连续可调；5 .设计电路所需的直流电源。6 .完成整体电路设计及论证7 .完成课程设计说明书三.总体方案设计波形产生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件获得所要求的波形信号输出。波形产生的关键局部是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。具体设计可参考以下思路。1 .
4、用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得出方波输出（例如用施密特触发器），用积分电路将方波变换成三角波或锯齿波输出；2 .利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成三角波输出，用折线近似法将三角波变换成正弦波输出；3 .用多谐振荡器产生方波输出，方波经滤波电路可得正弦波输出，方波经积分电路可得三角波输出；4 .利用单片函数发生器5G8083集成振荡器E1648及集成定时器555/556等可灵活地组成各种波形产生电路。四.原理框图波形产生电路的关键局部是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。一般思路如下：(1)用正弦波振
5、荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得方波输出，用积分电路将方波变成三角波输出；(2)利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成三角波输出，用折线近似法将三角波变换成正弦波输出；(3)用多谐振荡器产生方波输出，方波经滤波电路可得正弦波输出，方波经积分电路可得三角波输出；(4)利用单片函数发生器5G8038、集成振荡器E1648及集成定时器555等可灵活地组成各种波形产生电路。五.单元电路的设计说明5.1方波发生电路的工作原理(1)方波发生电路实验电路如下图，双向稳压管稳压值一般为56V。方波发生电路(D按电路图接线，观察、VD波形及频率，与预习比拟。分别测出R=IOk,11O
6、k时的频率,输出幅值，与预习比拟。(3)要想获得更低的频率应如何选择电路参数?试利用实验箱上给出的元器件进行条件实验并观测之。方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比拟器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反应网络，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,那么同相输入端电位Up=+UToUo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跃变为随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示
7、。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二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。2方波一三角波转换电路的工作原理方波一三角波产生电路工作原理如下：假设a点断开，运算发大器Al与Rl、R2及R3、RPl组成电压比拟器，Cl为加速电容，可加速比拟器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=O,同相输入端接输入电压Uia,Rl称为平衡电阻。比拟器的输出Uol的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压-VeeU+Vcc=卜VeeI),当比拟器的U+=U-=0时，比拟器翻转，输
8、出UOl从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设UOI=+Vcc,那么将上式整理，得比拟器翻转的下门限单位Uia-为假设Uol=Vee,那么比拟器翻转的上门限电位Uia+为比拟器的门限宽度=U.+U一=2Icc,awR3+R6由以上公式可得比拟器的电压传输特性，如图3-71所示。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Uol,那么积分器的输出Uo2为U0、=-Uo.dt01(R4+RP2)C2ji3+%时，Ug=(凡+遍)G=(q+蕨)G-(-%)L%t(R4+RP2)C2(r4+rp2)c2可见积分器的输入为方波时，输出是一个上
9、升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下列图所示。a点闭合，既比拟器与积分器首尾相连，形成闭环电路，那么自动产生方波-三角波。三角波的幅度为Uo2mR3+RPVcc方波-三角波的频率f为由以上两式可以得到以下结论：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。假设要求输出频率的范围较宽，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RPl可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3三角波发生电路三角波发生电路电路组成：如下图。其虚线左边为同相输入滞回比拟器，右边为积分运算电
10、路。三角波发生电路波形7=-振荡频率：4RRyO改变振荡频率：调节电路中R-R2、f%的阻值和C的容量。改变幅值：调节RI和R2的阻值。5.3三角波一-正弦波转换电路的工作原理+VCC三角波一一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。分析说明，传输特性曲线的表达式为：Ic2=aIE2=竺y式中a=Ic/1e0一差分放大器的恒定电流：Ut温度的电压当量，当室温为25oC时，UT26mVo如果Uid为三
11、角波，设表达式为式中Um三角波的幅度；T一一三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：(1) 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；(2) 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。(3) 图为实现三角波一一正弦波变换的电路。其中RPI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。三角波一正弦波变换电路六.总体电路6.1总电路图6.2元器件的选择和电路参数计算的说明电路的参数选择及计算1 .方波-三角波中电容Cl变化关键性变化之一实物连线中，我们一开始很长时间出不
12、来波形，后来将C2从IOUf(理论时可出来波形)换成OJUf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。2.三角波-正弦波局部比拟器Al与积分器A2的元件计算如下。由式(3-61)得Ugn=G%c即L=Jq+园YCC123取Rz=10K,那么R3+R=3OKQ,20K.,RPl为47KQ的点位器.区平衡电阻Rl=R2g+RR)10KQ由式(3-62) f =R3 + RR4&(凡 + Rg)C2即R4+RPi=当1”ZW/WlOHz时，取G=IO/，那么凡+R6=(757.5)ZC,取=5.1kC,为100KC电位器。当10”ZWfWIOoHZ时
13、，取G=1尸以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻q=10kC.三角波一正弦波变换电路的参数选择原那么是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低,KC3=C4=C5=470zF,滤波电容。6视输出的波形而定，假设含高次斜波成分较多，。6可取得较小，。6一般为几十皮法至0微法。RE2=100欧与RPLlOo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RP,及电阻R*确定。七.具体过程7.1函数发生器5G8038的指标和应用5G8038性能特点如下:(1)输出各类波形频率漂移小于50X10-6Hz/；(2)通过调节外接阻
14、容元件值，很容易改变振荡频率，使工作频率在O.OOlHZ-30OkHZ范围内可调节。(3)输出波形失真小；(4)三角波输出线性度可优于01虬(5)矩形脉冲输出占空比调节范围可达1-99%,可获得窄脉冲、方波、宽脉冲输出；(6)输出脉冲(或方波)电平可从4.2-28V；(7)外围电路简单(外接元件较少)，引出线比拟灵活、适用性强。5G8038是上海元件五厂生产，而国外生产同类产品ICL8038性能特点要优于以互换使用。5G8038引脚排列如图1所示。集成电路5G8038管脚说明：1：正弦波失真调节端；2：正弦波输出端；3：三角波/锯齿波输出端；4：恒流源调节(4脚和5脚外接电阻，以实现占空比的调
15、节)；5：恒流源调节(外接电阻端)；6：正电源；7：基准源输出；8：调频控制输入端；9：方波/矩形波输出端(集电极开路输出)；10：外接电容C；11：负电源或接地端；12：正弦波失真调节；13：空置端；14：空置端。5G8038的典型应用一构成多功能信号发生器：1 1)5G8038多功能函数发生器的内部结构2和工作原理如图2所ZJlo由5G8038构成的函数发生器原理框图可知：他由1个恒流充放电振荡电路和1个正弦波变换器组成，恒流充放电振荡电路产生方波和三角波，三角波经正弦波变换器输出正弦波。图中2个比拟器CLC2组成1个参考电压分别设置在23Vcc和l3Vcc上的窗口比拟强。2个比拟器的输出
16、分别控制RS触发器的置位端和复位端。2个恒流源IL12担任对定时电容C的充放电，而充电和放电的转换那么为RS触发器的输出通过电子开关S的通或断来进行控制。当电子开关S断开时，电路对外接电容C充电，当电子开关S接通时，电容C放电，所以，假设电路参数设计恰当，可在电容C上产生良好的三角波，经缓冲器由3脚输出。为了得到在比拟宽的频率范围内三角波到正弦波的转换，可用1个由电阻和晶体管组成的折线近似转换网络将三角波转换为正弦波，由2脚输出。而用于控制开关S的信号，即RS触发器的输出，就是方波，经缓冲器由9脚输出。由5G8038构成的多功能信号发生器如图3所示。为了提高信号源的带负载能力，可使三角波、正弦
17、波信号经由LM318高速运算放大器放大后输出。通过调节电位器RPl的位置，既可调节函数发生器的输出振荡频率的大小，又可用来调节输出矩形脉冲波的占空比。调节电位器Rp2,可调节输出正弦波信号失真度。调节Rp3,Rp4,可调节信号输出幅度。图中3个电位器RPLRp2,Rp3采用精密多圈电位器。为了使振荡信号获得最正确的特性，流过5G8038集成电路4脚和5脚的电流不能过大或过小。假设电流过大，将使三角波的线性变坏，从而导致正弦波失真度增大；假设过小，那么电容的漏电流影响变大。流过5G8038集成电路4脚和5脚的最正确电流为1UATmA。为此电阻R满足R=Vcc1012 .直流稳压电源1、特性指标(
18、1)输出电压范围符合直流稳压电源工作条件情况下，能够正常工作的输出电压范围。该指标的上限是由最大输入电压和最小输入一输出电压差所规定，而其下限由直流稳压电源内部的基准电压值决定。(2)最大输入一输出电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所允许的最大输入一输出之间的电压差值，其值主要取决于直流稳压电源内部调整晶体管的耐压指标。(3)最小输入一输出电压差该指标表征在保证直流稳压电源正常工作条件下，所需的最小输入一输出之间的电压差值。(4)输出负载电流范围输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，直流稳压电源应能保证符合指标标准所给出的指标。质量指标：(1)电压调整率SV电压
19、调整率是表征直流稳压电源稳压性能的优劣的重要指标，又称为稳压系数或稳定系数，它表征当输入电压Vl变化时直流稳压电源输出电压Vo稳定的程度，通常以单位输出电压下的输入和输出电压的相对变化的百分比表示。电压调整率公式见图221。(2)电流调整率Sl电流调整率是反映直流稳压电源负载能力的一项主要自指标，又称为电流稳定系数。它表征当输入电压不变时，直流稳压电源对由于负载电流(输出电流)变化而引起的输出电压的波动的抑制能力，在规定的负载电流变化的条件下，通常以单位输出电压下的输出电压变化值的百分比来表示直流稳压电源的电流调整率。电流调整率公式见图222。(3)纹波抑制比SR纹波抑制比反映了直流稳压电源对
20、输入端引入的市电电压的抑制能力，当直流稳压电源输入和输出条件保持不变时，纹波抑制比常以输入纹波电压峰一峰值与输出纹波电压峰一峰值之比表示，一般用分贝数表示，但是有时也可以用百分数表示，或直接用两者的比值表/J，O集成直流稳压电源的温度稳定性是以在所规定的直流稳压电源工作温度Ti最大变化范围内(TminTiTmax)直流稳压电源输出电压的相对变化的百分比值。温度稳定性公式见图223。极限指标：门)最大输入电压是保证直流稳压电源平安工作的最大输入电压。(2)最大输出电流是保证稳压器平安工作所允许的最大输出电流。硅稳压管并联稳压电源：1、电路原理分析图311是硅稳压管稳压电源。其中Dl是稳压二极管，
21、Rl是限流电阻，R2是负载。由于Dl与R2是并联，所以称并联稳压电路。此电路必须接在整流滤波电路之后，上端为正下端为负。由于稳压管Dl反向导通时两端的电压总保持固定值，所以在一定条件下R2两端的电压值也能够保持稳定。下面我们来分析一下具体工作原理：假设设输入电压为UI,当某种原因导致Ul升高时，UDI相应升高，有稳压管的特性可知UDl上升很小都会造成IDl急剧增大，这样流过Rl上的IRl电流也增大，RI两端的电压URl会上升，Rl就分担了极大一局部Ul升高的值，UDl就可以保持稳定，到达负载上电压UR2保持稳定的目的。这个过程可用下面的变化关系图表示：UItfUDlID1t-IRl-URl-U
22、DlI相反的，如果Ul下降时，可用下面的变化关系图表示:UIIfUDlIfIDl!fIRl!UR1IUD1通过前面的分析可以看出，硅稳压管稳压电路中，Dl负责控制电路的总电流，Rl负责控制电路的输出电压，整个稳压过程由DI和Rl共同作用完成。元件选择：下面我们来看看负载电压URl和负载电流IRI时如何设计硅稳压管稳压电源。(1)初选稳压管Dl一般情况下，可以按照UDI=UR2和IDlp(IR2)IlIaX来初步选定稳压管Dl,如果负载有可能开路那么应选择(IDl)max(2-3)(IR2)max,这是因为当负载时所有电流全部都会流过DL所以IDl应该适中选择大一点。(2)选定输入电压一般可选择
23、Ul=(2-3)UR2(3)选定限流电阻RlRl=(UI-UR2)/(ID1+IR2)但是需要考虑两种极限情况：当Ul最大，且负载开路时(即IR2=0),流过Dl的电流最大。为了不超过Dl的最大允许电流(IDl)max,需要有足够大的电流电阻,否那么会烧坏D1。那么Rl需要满足：Rl(UI)ma-UR2)/IDl)max当Ul最小，且负载电流最大时，流过DI的电流最小。为了保证此时DI能够工作在击穿区起到稳压的作用，要有一定的电流流过Dl,一般取5mA10mA。那么Rl需要满足：RK（UI）min-UR2）/（ID1+（IR2）max）限流电阻Rl的值应该在上面两个公式的范围内选择。（4）检查
24、电路稳定度电路稳定度需要根据实际电路的要求来确定，如果稳定度不够，可以适当增加RI和UI,还可以选择动态电阻r比拟小的稳压管。.频率控制1.鉴频器（比拟器）fO（VCO输出）fs（标准频率）fo=fs:比拟器无输出fofs：有正比于fo-fs的输出，经LPF输出VC去控制VC0,当|fo-fs减少到时，自动微调过程停止,输出频率稳定在fsZf2 .LPF按系统要求，从鉴频器输出的误差信号中滤出控制信号VC3 .受控元件可变电抗元件。4 .受控振荡器VCO5 .闭环系统满足负反应（图12-13p323）鉴频特性与振荡器控制特性的斜率相反（负反应）右图：振荡器控制特性曲线A:理想，无频差；B:实际
25、，有固有频差心C: fp捕捉带宽；D: afH同步带宽（临界情况）。调频反应解调（图12T6）八.设计小结终于完成了这次课程设计，说实话我开始对这次我们的这个设计并不是很懂，有些茫然有些不知所措。问了我们组其他人也是同样感觉，有种无从下手的感觉，课题要求使用5G8038单片函数波形发生器，可以产生精度较高的正弦波、方波、矩形波等多种信号，而且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。这样当输出缓冲电路独立设置多路时，可同时多路输出三种信号,比拟容易满足实际需要。对于这些我开始觉得比拟复杂，也觉得有些繁琐，于是我开始在网上搜索这类的资料，但效果不是很理想，资料很多并不完全，只能找到的是方波，三角波之类的
26、原理及其转换方面的知识，而这些都需要我们自己来整理并应用于设计中，然而即使搜索了很多的资料很多问题依然无法解决。于是我们组的成员就经常在一起讨论，并到图书馆查阅了一些资料。解决了一些问题，最后我们的报告也终于完成了，虽然我觉得设计报告中依然有蛮多的问题，蛮多的缺陷，但这些只能靠以后知识的增长甚至是实践中来完善。在这次设计中我意识到了遇到困难不要知难而退，要充分发挥资源的优势并积极与他人讨论。集体的智慧总是很强大的，我觉得任何困难只要努力总是会成功的！九.参考文献1.华中工学院电子学教研室编，康光华主编.电子技术根底.修订3版，北京：高等教育出版社，19882.实用电子电路手册（模拟电路分册）编写组编.实用电子电路手册（模拟电路分册）.北京：高等教育出版社，1991
