課程設(shè)計——函數(shù)發(fā)生器

1、<p><b>　　電子實習(xí)實驗報告</b></p><p><b>　　函數(shù)發(fā)生器</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、前言……………………………………………………………2</p><p>　　二、函數(shù)發(fā)生器的幾種設(shè)計方法

2、 ………………………………………2</p><p>　　基于555 的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計 …………………………………………………2</p><p>　　基于ICL8038函數(shù)發(fā)生器設(shè)計…………………………………………………3</p><p>　　2.3基于單片機的函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計………………………………………………6</p><p>　　函數(shù)發(fā)生

3、器的設(shè)計框圖 ………………………………………………6</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器工作原理圖 …………………………………………… 7</p><p>　　4.1函數(shù)發(fā)生器原理圖 ……………………………………………………7</p><p>　　4.2方波—三角波產(chǎn)生電路 ……………………………………………………7</p><

4、;p>　　4.3三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理………………………………………10</p><p>　　五、電路的參數(shù)選擇及計算 …………………………………………12</p><p>　　5.1方波—三角波中電容C1變化………………………………………12</p><p>　　5.2方波—正弦波部分 ……………………………………………12</p&g

5、t;<p>　　5.3 函數(shù)發(fā)生器的電路圖 ……………………………………………13</p><p>　　六、電路仿真 ………………………………………………………13</p><p>　　七、電路安裝與調(diào)試 …………………………………………………17</p><p>　　7.1方波—三角波發(fā)生器…………………………………………………………17&l

6、t;/p><p>　　7.2三角波—正弦波變換電路調(diào)試………………………………………………17</p><p>　　八、實驗所得數(shù)據(jù)…………………………………………………18</p><p>　　九、實習(xí)心得………………………………………………………18</p><p><b>　　前言</b></p><

7、;p>　　為了能夠使同學(xué)們將學(xué)習(xí)的理論與實踐相結(jié)合，增強實際動手能力，并能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，學(xué)校特設(shè)了暑期電路綜合實習(xí)課程，課程為四周。</p><p>　　實習(xí)不僅增強同學(xué)們間的合作能力和團隊意識，還為進一步的自主學(xué)習(xí)和研究打下一定基礎(chǔ)，同時也增加了同學(xué)們就業(yè)競爭砝碼。</p><p>　　此次實習(xí)主要完成了三個實驗：函數(shù)發(fā)生器、多功能數(shù)字鐘、多量程數(shù)字電壓表。函數(shù)發(fā)生器是大一

8、下學(xué)期電路分析基礎(chǔ)課的實驗就已經(jīng)做過了的，只是當(dāng)時是用面包板連接起來的，此次實習(xí)是焊接在電路板上。</p><p>　　能夠在萬用板上完成電路的焊接工作。了解和學(xué)習(xí)在萬用板上進行電路焊接的方法和技術(shù)。具備元器件檢測能力。具有裝配、調(diào)試和指標(biāo)測量的能力。能使用電子儀器（如直流電源，萬用表，信號發(fā)生器，示波器等）對電路進行測試，能根據(jù)要求調(diào)試出較好的性能。具備一定的分析、總結(jié)能力，寫出一份較為完備的課程設(shè)計報告。&l

9、t;/p><p>　　二、函數(shù)發(fā)生器的幾種設(shè)計方法</p><p>　　2.1 基于555的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計</p><p>　　通過555定時器進行函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計，電路簡單，成本低廉。555定時器是集模擬電路和數(shù)字電路為一體的中規(guī)模集成電路，只要適當(dāng)配接少量的外圍元件，可以方便的構(gòu)成脈沖產(chǎn)生電路、脈沖變換電路及其它具有定時功能的電路。</p><p

10、>　　設(shè)計思路為：由555定時器構(gòu)成的多諧自激震蕩器得到方波；方波通過一階RC積分電路得到三角波；三角波再通過二階RC積分電路得到正弦波。</p><p>　　由555定時器構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器，電路簡單，成本低廉，如稍許增加正弦波放大電路及幅度調(diào)節(jié)電路，即可構(gòu)成簡單實用的信號源。</p><p>　　2.2 基于ICL8038函數(shù)發(fā)生器設(shè)計</p><p>　　

11、ICL8038的工作頻率范圍在幾赫茲至幾百千赫茲之間，它可以同時輸出方波（或脈沖波）、三角波、正弦波。其內(nèi)部組成如圖所示。輸出波形頻率可變且精確度高，當(dāng)輸出波形頻率小于10KHz時，誤差僅為0.8%。</p><p>　　其中，振蕩電容C由外部接入，它是由內(nèi)部兩個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

12、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，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點接到A點。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，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。</p><

13、p>　　在以上基本電路中很容易獲得3種函數(shù)信號，假如電容器在充電過程和在放電過程的時間常數(shù)相等，而且在電容器充放電時，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。</p><p>　　圖2-2-2為ICL8038的管腳圖，下面介紹各引

14、腳功能。</p><p>　　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 Swee

15、p)：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。</p><p>　　通過調(diào)節(jié)RV2的位置，即可調(diào)節(jié)函數(shù)發(fā)生器的輸出震蕩頻率的大小</p><p>　　2.3 基于單片機的函數(shù)發(fā)生器設(shè)計</p><p&

16、gt;　　可以以AT89C52單片機為核心，選用DAC0832為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并輔以必要的模擬電路，設(shè)計基于AT89C52單片機的函數(shù)發(fā)生器。</p><p>　　該方案的主要思路是采用編程的方法來產(chǎn)生希望得到的波形，用戶將要輸出的波形預(yù)先儲存在半導(dǎo)體存儲器中，在需要某種波形時將存儲在存儲器中的數(shù)據(jù)依次讀出來，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換、濾波等處理后，輸出該波形信號。該方案優(yōu)點是輸出信號的頻率穩(wěn)定抗干擾能力強，實現(xiàn)任意波形的信

17、號容易，可通過外置按鍵或鍵盤來設(shè)定所需要產(chǎn)生信號源的類型和頻率，還可以通過顯示器顯示波形的相關(guān)信息。不足之處是由于單片機的處理數(shù)據(jù)速度有限，當(dāng)產(chǎn)生頻率比較高的信號時，輸出波形的質(zhì)量將下降。</p><p>　　三、函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計框圖</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，

18、使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊AT89C52)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運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)計方法。</p><p>　　產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波—方波，再將三角波變成正弦波或

19、將方波變成正弦波等等。本課題采用先產(chǎn)生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，本課題中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖圖1-1所示：</p><p>　　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穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變

20、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。</p><p>　　四、函數(shù)發(fā)生器工作原理</p><p>　　4.1函數(shù)發(fā)生器原理圖</p><p>　　4.2 方波—三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　圖4-2-1所示電路能自動產(chǎn)生方波—三角波。其電路的工作原理如下：</p><p>　　若放大器

21、A1同相輸入端a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器。運放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則

22、 </p><p><b>　?。?-2-1）</b></p><p>　　式中RP1指電位器的調(diào)整值（以下同）。將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位Uia-為 （3-2-2）</p><p>　　若U

23、o1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為</p><p><b>　　（3-2-3）</b></p><p>　　比較器的門限寬度 （3-2-4）</p><p>　　由式（4-2-1）～（4-2-4）可得比較器的電壓傳輸特性，如圖4-2-2所示。</p><p>　　當(dāng)

24、比較器的門限 電 壓為 Via+ 時輸出Vo1為高電平（+Vcc)。這時積分器開始反向積分，三角波Vo2 線性下降。</p><p>　　當(dāng)Vo2下降到比較器的下門限 電 位 Via－ 時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Vo1由高電平跳到低電平。這時積分器又開始正向積分，Vo2線性增加。</p><p>　　如此反復(fù)，就可自動產(chǎn)生方波-三角波。</p><p>　　A點斷開后，運

25、放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出 　 （3-2-5）</p><p>　　當(dāng)時， （3-2-6）</p><p>　　當(dāng)時， （3-2-7）</p><p>　　可見，積分器的

26、輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形如圖4-2-3所示。</p><p>　　a點閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波—三角波。三角波的幅度 （3-2-8）</p><p>　　方波-三角波的頻率為 （3

27、-2-9）</p><p>　　由式（3-2-8）以及（3-2-9）可以得到以下結(jié)論：</p><p>　?。?）電位器RP2在調(diào)整方波—三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現(xiàn)頻率微調(diào)。</p><p>　　（2）方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓+Vcc。電位器R

28、P1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。</p><p>　　4.3 三角波—正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　三角波—正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。</p><p>　　差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，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

29、差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?-3-1）</b></p><p>　　式中，—差分放大器的恒定電流；，—溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25攝氏度時，UT≈26mV。</p><p>　　如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為</p><p><b>　?。?/p>

30、3-3-2）</b></p><p>　　式中Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。</p><p>　　將式（3-3-2）代入式（3-3-1）得</p><p><b>　　（3-3-3）</b></p><p>　　用計算機對式（3-3-3）進行計算，打印輸出的ic1(t)或ic2(t)曲線近似于正弦波，

31、則差分放大器的輸出電壓vc1(t)、vc2(t)亦近似于正弦波，波形變換過程如圖4-3-1所示：</p><p>　　為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見要求：</p><p>　　傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好。</p><p>　　三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管截止電壓。</p><p>　　圖4-3-2為實現(xiàn)三角波—正弦波變換的電路。

32、其中RP1調(diào)節(jié)三角波的幅度，RP2調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1、C2、C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。</p><p>　　五、電路的參數(shù)選擇及計算</p><p>　　5.1方波-三角波中電容C1變化</p><p>　　實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可

33、出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。</p><p>　　5.2三角波—正弦波部分</p><p>　　比較器A1與積分器A2的元件計算如下。</p><p>　　由式（4-2-8）得 （4-2-1）</p&g

34、t;<p>　　取，取，為的電位器。取平衡電阻 </p><p>　　由式（4-2-9）得 （4-2-2）</p><p>　　當(dāng)時，取，則，取，為電位器。當(dāng)時 ，??；當(dāng)時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，及的取值不變。取平衡電阻。</p><p>　　三角波—正弦波變換電路的參數(shù)

35、選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。歐與歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整及電阻確定。</p><p>　　5.3函數(shù)發(fā)生器的電路圖</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器整體電路圖如圖5-3-1所示。</p>

36、<p>　　先通過比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。</p><p><b>　　六、電路仿真</b></p><p>　　方波--三角波發(fā)生電路的仿真及實物波形：</p><p>　　畫出電路圖，并完成仿真，如圖6-1-1、6-1-2、6-1-3分別為方波、三角波、正弦波的輸出波形。</

37、p><p><b>　　以下是實物波形圖：</b></p><p>　　七、電路的安裝與調(diào)試</p><p>　　方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調(diào)多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。</p><p>　　7.1方波—三角波發(fā)生器的裝調(diào)</p><p>　

38、　由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計值，如設(shè)計舉例題中，應(yīng)先使RP1=10KΩ,RP2取（2.5-70）KΩ內(nèi)的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計指標(biāo)要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。</p

39、><p>　　7.2三角波—正弦波變換電路的裝調(diào)</p><p>　　按照圖3-3-1所示電路，裝調(diào)三角波—正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三設(shè)計完成的電路。電路的調(diào)試步驟如下。</p><p>　　差分放大器傳輸特性曲線調(diào)試。將C4與RP3的連線斷開，經(jīng)電容C4輸入的差摸信號電壓Uid=50v，fi =100Hz正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R*,是傳輸特性曲線對

40、稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖4-1-3所示波形，記 下次時對應(yīng)的 Uid即Uidm值。移去信號源，再將C5左段接地，測量差份放大器的 靜態(tài)工作點I0 、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q 。</p><p>　　三角波—正弦波變換電路調(diào)試。將RP3與C5連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波俄 輸出幅度（經(jīng)RP3）等于Uidm值，這時Uo3的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)節(jié)C*7大小可改善輸出波形。如果Uo3的

41、 波形出現(xiàn)以下幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的措施如下。</p><p>　　鐘形失真：傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小Re2。</p><p>　　半波圓定或平頂失真：傳輸特性曲線對稱性差，靜態(tài)工作點Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R*。</p><p>　　非線性失真：三角波傳輸特性區(qū)線性度差引起的失真，主要是受到運放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)

42、絡(luò)改善輸出</p><p><b>　　八、實驗所得數(shù)據(jù)</b></p><p><b>　　九、實驗心得：</b></p><p>　　這是第三次實習(xí)的第一個實驗，完成的還算很正常，效果很好，由于這個實驗處在緊張的復(fù)習(xí)階段，所以投入的經(jīng)歷不是很大， 所獲得的收獲也不是很大，完全是為了應(yīng)付才不得以做這個實驗，總體來說，這個

43、實驗的難度也不是很大。不過還是給我?guī)砹艘恍┬⌒〉穆闊?，從而學(xué)到了一些調(diào)試電路的方法，這個實驗中，我主要負(fù)責(zé)原理圖設(shè)計和焊接，另一個同學(xué)負(fù)責(zé)了調(diào)試和測試，總之，有了一個好的開頭，希望以下的實驗都能順利的完成。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]謝自美．電子線路設(shè)計實驗測試(第二版)[M]．武昌：華中科技大學(xué)出版社，2000<

44、/p><p>　　[2]華成英 童詩白 編 《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》 2006年5月 高等教育出版社 </p><p>　　[3]吳慎山.電子線路與實踐.北京：電子工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[4]王 遠(yuǎn)．模擬電子技術(shù)(第二版)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000 </p><p>　　[5]姚福安.電子電路設(shè)計與實踐.濟南