模拟电路课程设计函数信号发生器设计.doc

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1、电气与信息工程系自本0301班31号指导老师： 设 计 者： 同组人姓名： 目 录一、设计要求与说明-31、1 主要技术指标-31、2 设计要求-31、3 产品说明-3二、设计方案论证-32、1 信号产生电路-42、2 信号变换电路-7三、电路的工作原理-93、1 8038的工作原理：-93、2 电路的原理图-103、3原理说明-113、4元件的选择-11四、电路的EDA实现及仿真分析-12五、检测电路前的调试-17六实验数据及其分析-19七、元件清单-20八、心得体会-21九、鸣谢-21十、参考文献-22一、设计要求与说明1、1 主要技术指标 频率范围：100Hz-1KHz，1Kz-10KH

2、z；输出电压：方波VP-P24V，三角波VP-P=6V，正弦波VP-P=1V；方波tr小于1uS。 1、2 设计要求 A、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；B、输出信号的频率要求可调；C、拟定测试方案和设计步骤；D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；E、在面包板上或万能板上安装电路；F、测量输出信号的幅度和频率；H、写出设计性性报告。1、3 产品说明 函数发生器，也叫简易信号发生器，它能输出方波、三角波、正弦波三种波形，由正负12V直流稳压电源供电。它由震荡电路，比较器，积分器，反向器等基本电路组成的，通过调节电容或者电阻改变波形的周期和幅值。二、设计方案论证

3、2、1信号产生电路2、1、1方案一 由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。文 氏电 桥正弦波比较器积分器方波三角波这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。2、1、2方案二 由积分器和比较器同时产生三角波和方波。其中比较器起电子开关的作用，将恒定的正、负极性的积分器比

4、较器反 馈方波三角波电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。该电路的优点是十分明显的： 线性良好、稳定性好； 频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变； 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形； 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。2、1、3方案三、用单片集成芯片IC8038实现 他是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波，方波，三角波和锯齿波，其震荡频率可以通过外加电压进行调节，又称压控集成信号

5、产生器。我们用单片集成芯片IC8038实现电路的设计过程ICL8038芯片外观图和内部结构图一如下：图一图二 8038内部结构图利用8038芯片的优点是十分明显的：、集成度比较高，输出稳定，、构成的电路简单，所用的元件少，经济实惠。、函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。、具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。2、2信号变换电路 三角波变为

6、正弦波的方法有多种，但总的看来可以分为两类：一种是通过滤波器进行“频域” 处理，另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。具体有以下几种方案：2、2、1方案一 采用米勒积分法。设三角波的峰值为，三角波的傅立叶级数展开：通过线性积分后：显见滤波式的优点是不太受输入三角波电平变动的影响，其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化（随频率的升高而衰减），这对于我们要求的10倍的频率覆盖系数是不合适的。另外我们在仿真时还发现，这种积分滤波电路存在这较明显的失调，这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。积分滤波法的失调图（Protel 99 SE SIM99仿真）而且输出存在直流分量

7、。2、2、2方案二才用二极管电阻转换网络折线逼近法。十分明显，用折线逼近正弦波时，如果增多折线的段数，则逼近的精度会增高，但是实际的二极管不是理想开关，存在导通阈值问题，故不可盲目的增加分段数；在所选的折线段数一定的情况下，转折电的位置的选择也影响逼近的精度。凭直观可以判知，在正弦波变化较快的区段，转折点应选择的密一些；而变化缓慢的区段应选的稀疏一些。二极管电阻网络折线逼近电路对于集成化来说是比较简单，但要采用分立元件打接则会用到数十个器件，而且为了达到较高的精度所有处于对称位置的电阻和二极管的正向导通电阻都应匹配。实现起来不是很方便的。另外折线逼近电路的原理是应用电路传输的非线性，故作用于变

8、换电路的输入信号的幅度必须是固定的。而且这个转换网络还有输出阻抗高的缺点。 二极管电阻转换网络图2、2、3方案三利用差分放大器的差模传输特性。设差放的集电极电流分别为和，输入差模电压为 ,发射极电流为,则晶体三极管工作在放大区时有： 由下图的传输特性曲线我们可以想象当输入为三角波时输出会得到近似的正弦波。差放差模传输特性曲线图（Protel 99 SE SIM99仿真）三、电路的工作原理3、1 8038的工作原理： 采用8038集成电路，它的内部结构和外观图如上面图一和图二所示，在图二中，电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的

9、大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压vC随时间线性上升，当vC上升到vC=2VR/3 时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出Q端由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1 ，因此电容C放电，vC随时间线性下降。当vC下降到vCVR/3 时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，vC又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若I2=2I1 ，vC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方

10、波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I1I22I1 时，vC的上升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。3、2电路的原理图：在电路设计的提高部分我们增加了调幅电路图三 原理图图四 PCB板图3、3原理说明 由图三和图四及8038的原理结构可以知道，通过改变电容可以调节整个波形的频率范围，这是粗调，相对而言，调节R1可是达到某个频率，这是细调。7脚和8脚短节可以使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，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。Tt

11、1t2f1T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13倍，分得的时间为t1=CV/I=(C+1/3VccR A)/(1/5Vcc)=5/3RAC 在电容放电时，电压降到比较器输入电压的13时，分得的时间为t2CVI（C13VCC）（25VCCRB15VCCRA）（35RARBC）（2RARB）f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR）如果RARB，就可以获得占空比为50的方波信号。其频率f3（10RAC）。按照设计要求，方波VP-P24V，三角波VP-P=6V，正弦波VP-P=1V，在8038的2、3、9脚后面接调幅电路。可以通过选择拨码开关实现，两个741芯片组成

12、两极放大电路，调节R1和R2改变比例系数来实现电压的放大。3、4元件的选择 通过以上分析，可以选取以下元件的值来实现设计要求。 R0= 10K R1=10K R2=10K R3=30K R4=5K R5=5K R6=5K R7=5K C0=0.1uF C1=0.1uF C2=0.01uF C3=4700pF VR0=50K VR1=100K VR2=1K VR3=10K VR4=50K 放大环节采用uA741集成运放2个四、电路的EDA实现及仿真分析4、1.输出瞬态分析通过在1K10K的范围内对电位器的调节，我们可以得到频率覆盖1K10KHz的各输出波形。两个边界频率的瞬态分析结果见以下诸图：

13、10KHz三角波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）10KHz方波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）10KHz正弦波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）1KHz三角波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）1KHz方波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）1KHz正弦波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）4、 2.波形参数的测量 注：以下各参数的测量均在Prot

14、el 99SE SIM99的仿真支持下，由Casor测量光标辅助完成的，其中失真度的测量是通过引入同频率等幅的标准信号源的方法测出的。由于这几个参数的测量都要将信号高倍放大，需占用较大的幅面，因此不再抓图印证。 输出幅值的测量：测量条件：f=5KHz RL=600 输出端口幅值范围OUT1( 0dB)6V28mVOUT2(-20dB)0.6V2.8mVOUT3(-30dB)60mV0.28mV 方波上升时间的测量：测量条件：Uo=4V 频率f=1KHzf=10KHz上升时间655.74ns555.70ns 正弦波失真度的测量：测量条件：Uo=3V 频率f=1KHzf=10KHz失真度2.35%

15、3.10% 鉴于所采用正弦波的失真系数的测量方法有较大误差。为此，特在Uo=7V的测试条件下在0dB端口对f=1KHz的正弦波进行了Fourier分析，如下图：1KHz正弦波0dB输出时的Fourier分析图（Protel 99 SE SIM99仿真） 由图可见：电路高频谐波分量是比较少的。总结： 以上测试数据证明，该电路已远远超过了课程设计题目所要求的各项性能指标，而且其三角波、方波的表现又颇为突出，通过改变三角波积分电容的方法，还可以将频率覆盖扩展至10Hz100KHz。4、 3.温度扫描分析以下三图是在 f=5.831KHz RL=600 0dB输出-1050步长为20的温度扫描图：5.

16、831KHz三角波-10+50温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）5.831KHz正弦波-10+50温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）5.831KHz方波-10+50温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）由图可见，波形除了时间上存在延迟外并无畸变。电路在该温度范围内是正常工作的。五、检测电路前的调试 实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此

17、调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。5、1.调试前的检查电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括：（1） 连线是否正确 检查的方法通常有两种方法：a.按照电路图检查安装的线路 这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。b.按照实际线路来对照原理图电路进行查线这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在

18、电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。（2） 元器件的安装情况 检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。5、 2.调试方法与原则（1）通电观察 把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。（2）静态调试 交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和动态调

19、试之分。静态调试过程：例如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。（1） 动态调试调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。5、3.调试中注意的事项为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点： （1）正确使用测量仪器的接地端（2）测量电压所用仪

20、器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。要正确选择测量点。（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查.

21、调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。六实验数据及其分析在检测实验成品的性能过程中 ，我们考虑到某些频率段的失真度比较大。故只用两个主要的频率段进行测量和分析，在此，请读者谅解！在示波器中，其中的波形幅值分两种档位：10和1。 数据波形频段选择C=4700PF(f=1k10kHz)C=0.01F(f=1001kHz)档位 10 1三角 波f（频率）4000Hz701.8 HzVp-p7.8V800mVVmax4.24V440mVVmin-3.60V-360mV占空比50%49.1%方波f（频率）4008 Hz699.3 HzVp-p16.8V1.68VVmax9.4V811

22、mVVmin-7.4V-718mV占空比49.7%50%正弦波f （频率）4000 Hz701.8 HzVp-p5V540mVVmax2.44V286mVVmin-2.56V-168V占空比48.8%43.5%在数据的测试当中，我们可以看出正弦波的失真度比较大，在测频率1100Hz时，整个电路所测出的波形都有很大的失真，故不测出其结果。把此数据与上面仿真结果得到我们的电路还存在很多问题，分析其中原因正如在直流稳压源的设计报告中也存在同样的问题七、元件清单本设计所需元件及器材如下： 名 称 数 量ICL8038芯片 一个LM741芯片 两个无极性电容4700pF 一个无极性电容0.1uF 两个无

23、极性电容0.01uF 一个精密电位器50K 两个精密电位器10K 一个精密电位器1K一个 精密电位器100K一个缚铜板一块电阻10K 30K 5K 八个镊子 一个尖嘴钳 一个斜口钳 一个数字万用表 一个Fecl3 若干排插 若干铜柱 四个八、心得体会第一，通过做本实验，让我的理论联系实际能力、设计电路能力、实际操作能力以及正确的处理数据、分析和综合实验结果，检查和排除故障的能力有了大大的提高，并且巩固了我的理论知识，起到了双重效果。第二，通过这次课程设计，让我知道了怎样画PCB图和电路的EDA实现及仿真分析。在制板过程中需要耐心，在焊接其电路图时更要特别小心。总之，这次实验，使我受益匪浅，我从

24、中吸取了很多经验教训，同时也学到了很多专业知识。感谢学校、老师给我这样的机会，我希望这样的实验以后还会有。九、鸣谢通过此次课程设计，我提高了不少，我要向提供此次机会和资料的电气与信息工程系系表示感谢，向认真审阅和提出很好的建议的李祖林，龙卓珉老师表示感谢。 向在硬件及软件上给予支持的湖南工学院表示感谢。十、主要参考文献1谢嘉奎 宣月清 冯军 编 电子线路（线性部分） 1999年6月 高等教育出版社2谢沅清 解月珍 编 通信电子电路2000年2月 北京邮电出版社3王永洪 编 线性集成运算放大器及其应用1989年2月 机械工业出版社4梁恩主 梁恩维 著Protel 99SE电路设计于仿真应用200

25、0年11月 清华大学出版社5张郁弘 庄灿涛 著 晶体管运算放大器及其应用1978年9月 国防工业出版社6王戌芮等 译 美国国家半导体公司 编 通用线性电子器件数据手册1995年9月 科学出版社7电子电路百科全书翻译组 译 【美】R.F.格拉夫 著电子电路百科全书1986年7月 科学出版社8刘志军 编电子测量与模拟电路实验技术2001年4月9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）1991年10月高等教育出版社10Protel World Wide Web Site 11National World Wide Web Site 12电力电子设备用器件与集成电路应用指南（第二册）控制用集成电路 李宏编著 机械工业出版社