正弦波-方波-三角波信号发生器设计

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苏州科技大学天平学院模拟电子技术课程设计报告
课题名称正弦波-方波-三角波信号发生器设计专业班级通信1722
学号姓名活雷锋
学号姓名活雷锋
目录
一、课程设计目的、技术指标与要求 (3)
1.1课程设计目的 (3)
1.2技术指标 (4)
1.3设计要求 (4)
1.4理论准备 (4)
二、方案选择 (4)
2.1 设计两种不同的方案 (4)
2.2 两种方案的比较 (4)
2.3 选择方案一 (5)
三、波形发生电路设计 (5)
3.1基于集成运算放大器与晶体管差分放大器的函数发生器 (5)
3.2 设计思路 (5)
3.3 函数发生器电路组成框图如下所示 (5)
3.3 工作原理 (5)
3.4总电路图: (7)
四、设计参数 (7)
4.1:分为三个部分设计参数 (8)
4.2:方波参数: (8)
4.3正弦波-方波参数: (8)
4.4:ICL8038的两种工作方式: (8)
4.5:正弦函数信号的失真度调节 (10)
五、仿真结果与分析 (11)
5.1正弦波的仿真: (11)
5.2方波的仿真: (12)
5.3三角波的仿真 (13)
5.5总电路仿真: (14)
5.6频率: (14)
5.7ICL8038 元器件的函数发生器 (15)
ICL 8038 的主要特点: (15)
六、设计总结 (16)
七、参考文献 (17)
八、成绩评定 (17)
一、课程设计目的、技术指标与要求
1.1课程设计目的
(1)巩固信号发生器相关理论知识;
(2)实践所掌握的电子技术理论;
(3)通过查阅技术手册和文献资料,熟悉常用电子器件的类型和特性,掌握选用器件的原则;
(4)练习运用EDA工具对理论设计进行模拟仿真测试,通过仿真测试,发现问题、分析问题,进一步完善理论设计;
(5)培养严谨的学习工作态度和实事求是的工作作风;
(6)练习撰写具有一定复杂度和综合性的设计报告;
(7)通过设计一个具有一定实际意义的电子电路,提高综合分析问题解决问题的能力。

1.2技术指标
(1)输出波形:正弦波、方波和三角波;
(2)频率范围:100HZ~20kHZ连续可调;
(3)输出电压:正弦波-方波的输出信号幅值为6V,三角波输出信号幅值为0~2V连续可调;
(4)正弦波失真度:γ≦5%。

1.3设计要求
(1)根据技术指标要求选择设计方案,设计电路原理图,计算元件参数;
(2)列出电路中所选用的元器件清单;
(3)调试仿真所设计的电路,达到设计要求;
(4)记录仿真测试结果,并对设计合结果进行合理分析与总结。

1.4理论准备
(1)所用芯片/元件各管腿连接方法,元件参数及特性;
(2)相关理论知识点准备;
(3)查阅相关电子电路设计书籍,对所用EDA软件熟练掌握应用方法及所用芯片/元件库的参数情况
二、方案选择
2.1 设计两种不同的方案
方案一:首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波。

方案二:首先产生方波——三角波,再将方波变成正弦波或将三角波变成正弦
2.2 两种方案的比较
两个方案均可以产生三种波形。

方案一:电路简洁利于连接可以节省元器件,但是在调节波形的时候会比较费力,由于整个电路时一起的只要调节前面部分就会影响后面的波形。

方案二:的电路过多连接部方便而且这样用了很多元器件,但是方案的在调节的时候比较方便可以很快的调节出波形。

2.3 选择方案一
通过比较两种方案后选我组择方案一
三、波形发生电路设计
3.1基于集成运算放大器与晶体管差分放大器的函数发生器
3.2 设计思路
我们组总体设计思路为:先通过比较器产生方波,方波通过积分器产生三角波,三角波通过差分放大器产生正弦波。

3.3 函数发生器电路组成框图如下所示
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

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时,可以有效地抑制零点漂移,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。

3.3 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R1对电容C1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R1对电容C1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,一旦比较器积分器差分放大器
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。

原理图:方波——三角波转换电路的工作原理
原理图:正弦波——方波转换电路:
3.4总电路图:
四、设计参数
4.1:分为三个部分设计参数
从电路的设计过程来看电路分为三部分:①方波部分②三角波部分③三角波部分正弦波部分
4.2:方波参数: 由13444)(4p p R R C R R R T +⨯+=
f 1=可知, f 与 c 成反比,若要得到 100Hz~200Hz,C 为 0.1 F
4.3正弦波 -方波参数:
比较器A1与积分器A2的原件计算如下:
;2/112/6/)/(,.01321
3202===++=cc M cc V U RP R R V RP R R U Ω=k 10R 2,则
Ω=+K RP R 2013)(,RP1为47K Ω的电位器,取平衡电阻Ω=+=K RP R R R 7)/(1321,由式224213)(4C RP R R RP R f ++=,即2213144C R RP R RP R ++=+ 当100Hz<f<20kHz 时,取C2=0.1uf,R+RP=(75-7.5k Ω),取平衡电阻Ω≈+=k R R R p 10)(245。

方波三角V R R R V p 1
32+= 由输出的三角形幅值与输出的方波的幅值分别为2v 和6v ,有3162132132=+⇒+=
p p R R R R R R 取R2=20K Ω,Rp1≈47K Ω,R3=20K Ω
三角波转正弦波变换电路的参数选择原则是:阻支流同交流。

C3,C4,C5要取得足够大,因为输出频率很低,取C3=C4=C5=470uF ,滤波电容C6视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多,C6可取得较小,C6一般为几十皮法至0.1微法。

4.4:ICL8038的两种工作方式:
即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给,也可以由外部供给。

图为几种由内部供给偏置电压调节的接线图
在以上应用中,由于第7 脚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C决定,其频率为F,周期T,t 1为振荡电容充电时间,t 2为放电时间。

T=t 1+t 2 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=CV/I=(C+1/3 ·Vcc·RA)/(1/5 ·Vcc)=5/3RA·C
t 2=CV/I =(C+1/3·VCC)/(2/5·VCCRB-1/5·VCC/RA)=(3/5·RA*RB·C)/(2RA-RB)
f =1/(t 1+t 2)=3/{5RAC[1+RB/(2RA-R)]}
所以当RA=RB,就可以获得占空比为50%的方波信号。

其频率f =3/(10RAC)。

4.5:正弦函数信号的失真度调节
由于ICL8038 单片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。

该芯片的第1 脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。

下图为一个调节输出正弦波失真度的典型应用,其中第1 脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点,第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点,在实际应用中,两只100K的电位器应选择多圈精度电位器,反复调节,可以达到很好的效果。

五、仿真结果与分析
5.1正弦波的仿真:
5.2方波的仿真:
5.3三角波的仿真
5.5总电路仿真:
5.6频率:
5.7ICL8038 元器件的函数发生器
ICL8038 是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路, 只需调整个别的外部组件就能产生从
0.001HZ ~300kHz 的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

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频信号输入端, 所以可以用来对低频信号进行频率调制。

ICL 8038 的主要特点:
(1) 可同时输出任意的三角波、矩形波和正弦波等。

(2) 频率范围: 0.001HZ ~300kHz
(3) 占空比范围: 2% ~98%
(4) 低失真正弦波: 1%
(5) 低温度漂移: 50ppm/ ℃
(6) 三角波输出线性度: 0.1%
(7) 工作电源: ±5V ~±12V 或者+ 12V ~+ 25V
由图可知, 该芯片由三角波振荡电路、比较器1、比较器2、触发器、三角波—正弦波变换电路、恒流源CS1 、CS2 等组成。

恒流源CS1 、CS2 主要用于对外接电容C 进行充电放电, 可利用4、5 脚外接电阻整恒流源的电流, 以改变电容C 的充放电时间常数, 从而改变10 脚三角波的频率。

两个比较器分别被内部基准电压设定在2 3V s 与1 3V s 。

使两个比较器必须在大于2 3V s 或小于1 3Vs 的范围内翻转。

其输出同时控制触发器, 使其一方面控制恒流源CS2 的通断, 另一方面输出方波经集电极开路缓冲器, 由9 脚输出方脉冲, 而10 脚经缓冲器直接由3 脚输出三角波, 另外还经三角波—正弦波变换电路由2 脚输出低失真正弦波。

外接电容C 由两个恒流源充电和放电。

若S 断开, 仅有电流I1 向C 充电, 当C 上电压上升到比较器1 的门限电压2 3V s 时, 触发器输出Q = 1 。

开关S 导通, CS2 把电流I2 加到C 上反充电, 当I2> I1 时, 相当于C 由一个净电流I2- I1 放电, 此时C 上电压逐渐下降, 当下降到比较器2 的门限电压1 3V s 时, R ·S 触发器被复位,Q = 0, 于是S 断开CS2, 仅有CS1 对C 充电, 如此反复形成振荡, C 上电压近似为三角波, 而触发器输出则为方波。

当两个电流源CS1 、CS2 的电流分别设定为I、2I 时, 电容C 上的充电、放电时间相等, 则10 脚三角波以及变换的正弦波就是对称的, 方波的占空比是50% 。

若恒流源CS1、CS2 的电流不满足上述关系, 则3脚输出非对称的锯齿波, 2 脚输出非对称的正弦波, 9 脚输出占空比为2% ~98% 的脉冲波形。

另外改变恒流源I 的大小, 即可改变振荡信号的频率。

六、设计总结
经过这次课程设计实验,运用Multisim这个全新的软件,从刚开始原理图的绘制,尤其是元件的寻找都是个困难,到后来的原理图绘制好了以后,但在运行
仿真时又出现了错误,最后都在一步步的寻找和查阅资料后进行了解决。

让我对模电的这门课有了更深一部的了解。

七、参考文献
1《电子技术基础模拟部分》第六版康华光主编高等教育出版社2华中理工大学电子学教研室编,康华光主编、陈大钦副主编(电子技术基础)(模拟部分)第四版,北京高等教育出版
八、成绩评定。

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