模电课程设计报告-多种波形发生器

课程设计报告多种波形发生器
专业电子信息工程
学生姓名
班级B电子062
学号
指导教师
完成日期
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、频率的稳定性都比较高。

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---三角波转换电路的工作原理
5.3 三角波---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、三角波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0.02Hz~20kHz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。

波形产生的关键部分是振荡器，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.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
3.1
总体电路框图
3.2设计思路
波形产生电路的关键部分是振荡器，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
实验电路如图所示，双向稳压管稳压值一般为5～6V。

方波发生电路
(1)按电路图接线，观察V C、V0 波形及频率，与预习比较。

(2)分别测出R= l0k，110k时的频率，输出幅值，与预习比较。

(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。

（2）方波---三角波转换电路的工作原理
R1
1
2
3
5
4
U1
R2
R3
50%
Rp1R4
50%
Rp2
12
3
5
4U2
C1
R17
方波—三角波产生电路
工作原理如下：
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 31
2231231
()0CC ia R RP R U V U R R RP R R RP ++=++=++++
将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 22
3131
()CC CC ia R R U V V R RP R RP ---=
+=++
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 22
3131
()EE CC ia R R U V V R RP R RP +-=
-=++
比较器的门限宽度2
31
2
H CC ia ia R U U U I R RP +-=-=+
由以上公式可得比较器的电压传输特性，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Uo1，则积分器的输出Uo2为214221
()O O U U dt R RP C -=
+⎰
1O CC U V =+时，2422422()()()CC CC
O V V U t t R RP C R RP C -+-=
=++
1O EE U V =-时，2422422
()
()()CC EE O V V U t t R RP C R RP C --=
=++
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，其波形关系下图所示。

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。

三角波的
幅度为2
231
O m CC R U V R RP =
+
方波-三角波的频率f 为 31
2422
4()R RP f R R RP C +=
+
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。

若要求输出
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RP1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：如图所示。

其虚线左边为同相输入滞回比较器，右边为积
分运算电路。

波形
振荡频率：
改变振荡频率：调节电路中R 1、R 2、R 3的阻值和C 的容量。

改变幅值：调节R 1和R 2的阻值。

5.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理
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：
22/1id T
C E U U aI I aI e
==
+ 0
11/1id T
C E U U aI I aI e
-==+ 式中 /1C E a I I =≈
0I ——差分放大器的恒定电流；
T U ——温度的电压当量，当室温为25oc 时，UT ≈26mV 。

如果Uid 为三角波，设表达式为
44434m id m U T t T U U T
t T ⎧⎛⎫- ⎪⎪⎪⎝⎭=⎨
-⎛⎫⎪- ⎪⎪⎝
⎭
⎩ 022T t T t T ⎛
⎫≤≤ ⎪
⎝
⎭⎛⎫≤≤ ⎪⎝⎭
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： （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——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。

VCC
-12V
三角波—正弦波变换电路
六．总体电路
6.1总电路图
-12V
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C1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来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf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.
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。

由式（3-61）得2
231
O m CC R U V R RP =
+
即
223141
123O m CC
U R R RP V ===+
取 210R K =Ω，则3130R RP K +=Ω，取320R K =Ω ，RP1为47K Ω的点位器。

区平衡电阻1231//()10R R R RP K =+≈Ω 由式（3-62）31
2422
4()R RP f R R RP C +=
+
即31
4122
4R RP R RP R C ++=
+
当110Z H f Z ≤≤H 时，取210C F μ=，则42(75~7.5)R RP k +=Ω，取4 5.1R k =Ω，为100K Ω电位器。

当10100Z H f Z ≤≤H 时 ，取21C F μ=以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。

取平衡电阻510R k =Ω。

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345470C C C F μ===，滤波电容6C 视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C 可取得较小，6C 一般为几十皮法至0.1微法。

RE2=100欧与RP 4=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RP 4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50×10-6Hz/℃；
（2）通过调节外接阻容元件值，很容易改变振荡频率，使工作频率在0.001Hz-300kHz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0.1%。

（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），引出线比较灵活、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--构成多功能信号发生器：
（1）5G8038多功能函数发生器的内部结构[2]和工作原理如图2所示。

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个比较器C1，C2组成1个参考电压分别设置在2/3Vcc和1/3Vcc上的窗口比较强。

2个比较器的输出分别控制RS触发器的置位端和复位端。

2个恒流源I1，I2担任对定时电容C的充放电，而充电和放电的转换则为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，若电路参数设计恰当，可在电容C上产生良好的三角波，经缓冲器由3脚输出。

为了得到在比较宽的频
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Rp1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Rp1，Rp2，Rp3采用精密多圈电位器。

为了使振荡信号获得最佳的特性，流过5G8038集成电路4脚和5脚的电流不能过大或过小。

若电流过大，将使三角波的线性变坏，从而导致正弦波失真度增大；若过小，则电容的漏电流影响变大。

流过5G8038集成电路4脚和5脚的最佳电流为1μA-1mA。

为此电阻R满足R=Vcc/101
2．直流稳压电源
1、特性指标
（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－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－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－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－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－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规范所给出的指标。

质量指标：
（1）电压调整率SV
电压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VI 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2－2－1。

（2）电流调整率SI
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2－2－2。

（3）纹波抑制比SR
纹波抑制比反映了直流稳压电源对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－峰值与输出纹波电压峰－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示。

（4）温度稳定性K
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（Tmin≤Ti≤Tmax）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2－2－3。

极限指标：
（1）最大输入电压
是保证直流稳压电源安全工作的最大输入电压。

（2）最大输出电流
是保证稳压器安全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3－1－1是硅稳压管稳压电源。

其中D1是稳压二极管，R1是限流电阻，R2是负载。

由于D1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D1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UI升高时，UD1相应升高，有稳压管的特性可知UD1上升很小都会造成ID1急剧增大，这样流过R1上的IR1电流也增大，R1两端的电压UR1会上升，R1就分担了极大一部分UI升高的值，UD1就可以保持稳定，达到负载上电压UR2 保持稳定的目的。

这个过程可用下面的变化关系图表示：
UI↑→UD1↑→ID1↑→IR1↑→UR1↑→UD1↓
相反的，如果UI下降时，可用下面的变化关系图表示：
UI↓→UD1↓→ID1↓→IR1↓→UR1↓→UD1↑
通过前面的分析可以看出，硅稳压管稳压电路中，D1负责控制电路的总电流，R1负责控制电路的输出电压，整个稳压过程由D1和R1共同作用完成。

元件选择：
下面我们来看看已知负载电压UR1和负载电流IR1时如何设计硅稳压管稳压电源。

（1）初选稳压管D1
一般情况下，可以按照UD1＝UR2和ID1≈（IR2）max来初
步选定稳压管D1，如果负载有可能开路则应选择（ID1）max ≈（2－3）（IR2）max，这是因为当负载时所有电流全部都会流过D1，所以ID1应该适当选择大一点。

（2）选定输入电压
一般可选择UI＝（2－3）UR2
（3）选定限流电阻R1
R1＝（UI－UR2）/（ID1＋IR2）
但是需要考虑两种极限情况：
当UI最大，且负载开路时（即IR2＝0），流过D1的电流最大。

为了不超过D1的最大允许电流（ID1）max，需要有足够大的电流电阻，否则会烧坏D1。

则R1需要满足：
R1>（（UI）max－UR2）/ ID1）max
当UI最小，且负载电流最大时，流过D1的电流最小。

为了保证此时D1能够工作在击穿区起到稳压的作用，要有一定的电流流过D1，一般取5mA－10mA。

则R1需要满足：
R1<（（UI）min－UR2）/（ID1＋（IR2）max）
限流电阻R1的值应该在上面两个公式的范围内选择。

（4）检查电路稳定度
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R1和UI，还可以选择动态电阻r比较小的稳压管。

3．频率控制
1.鉴频器(比较器)
fo(VCO输出) fs(标准频率)
fo= fs ：比较器无输出
fo≠ fs ：有正比于 fo-fs的输出,经LPF输出vc去控制VCO，当|fo- fs|减少到△f时,自动微调过程停止,输出频率稳定在fs±△f
2.LPF
按系统要求，从鉴频器输出的误差信号中滤出控制信号vc
3.受控元件可变电抗元件。

4.受控振荡器 VCO
5.闭环系统满足负反馈 (图12-13 p323)
鉴频特性与振荡器控制特性的斜率相反(负反馈)
右图：振荡器控制特性曲线
A: 理想，无频差；
B: 实际，有固有频差△f；
C: △fp 捕捉带宽;
D: △fH同步带宽(临界情况)。

调频反馈解调(图12-16)
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，比较容易满足实际需要。

对于这些我开始觉得比较复杂，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
基础. 修订3版，北京：高等教育出版社，1988
2.《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。