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函数信号发生器设计报告.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    电子综合设计报告 设计题目：函数信号发生器 一、综合设计方案 要求：可以输出正弦波、方波、三角波；频率范围 200Hz~10KHz;方波输出 电压幅度 UP-P=5V, UP-P≈3V。 函数信号发生器由以下两部分组成： （1）、 ±12v 稳压电源电路 使用变压器、全桥、LM7812、LM7912 设计出±12v 稳压电源电路。 （2）、 波形产生电路 用集成函数发生器 ICL8038、集成运算放大器 LF353 设计出能产生方波、 三角波、正弦波的信号发生器。 二、有关电子器件介绍 1、LM7812 和 LM7912 LM7812 是正 12v 三端稳压器，LM7912 是负 12V 三端稳压器，如下图所示 2、LF353
    集成运算放大器 LF353为二运算放大器，该集成电路内含两个独立的运算 放大器。 LF353主要用途： 适用于各种稳压电源电路。 主要特点： 输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。 极限值：( Tc=25 ℃) 电特性： ( Tc=25 ℃ ) 最大输入电压VI 35 V 最大输出电流Io 1.5 A 最大耗散功率PD 20 W 最高结温Tjm 150 ℃ 贮存温度 Tstg －55～150 ℃ 3、ICL8038 ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单 集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部 只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数 波形的频率受内部或外电压控制，当调节外部电路参数时，还可以获得占空 比可调的矩形波和锯齿波。因此，广泛用于仪器仪表之中。 （1）ICL8038 性能特点 ICL8038 是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，即将引脚 11 接地，引脚 6 接+VCC，VCC 为 10~30V；也可双电源供电，即将引脚 11 接-VEE， 引脚 6 接+VCC，它们的值为+5~+15V。频率的可调范围为 0.001Hz~300KHz。输 出矩形波的占空比可调范围 2%～98%，上升时间为 180ns，下降时间为 40 ns。 输出三角波（斜坡波）的非线性小于 0.05%。输出正弦波的失真度小于 1%。 （2）ICL8038 管脚功能
    上图为 ICL8038 的管脚图，下面介绍各引脚功能。 引脚 1、12（Sine 引脚 2（Sine 引脚 3（Triangle 引脚 4、5（Duty Out）：正弦波输出； Out）：三角波输出； Wave Wave Adjust）：正弦波失真度调节； Cycle Frequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角 波的对称调节 引脚 6（V＋）：正电源±10V～±18V； 引脚 7（FM Bias）：内部频率调节偏置电压输入，数值是引脚 7 与电源+VCC 之差，它可作为引脚 8 的输入电压； 引脚 8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入，电路振荡频率与调频电压成正 比；脚 9（Square Wave Out）：方波输出，为开路结构； 引脚 10（Timing 引脚 11（V－ or 引脚 13、14（NC）：空脚。 GND）：负电原或地； Capacitor）：外接振荡电容； （3）ICL8038 内部电路结构 函数发生器 ICL8038 的电路结构如图虚线框内所示，共有五个组成部分。 两个电流源的电流分别为 IS1 和 IS2，且 IS1=I 和 IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和 Ⅱ的阈值电压分别为 2/3VCC 和 1/3VCC 它们的输入电压等于电容两端的电压 UC， 输出电压分别控制 RS 触发器的 S 端和 端；RS 触发器的状态输出端 Q 和 用 来控制开关 S，实现对电容 C 的充、放电；两个缓冲放大器用于隔离波形发生 电路和负载，是三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力； 三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。
    除了 RS 触发器外，其余部分均可由前面介绍的电路实现。RS 触发器是数 字电路中具有存储功能的一种基本单元电路。Q 和 是一对互补的状态输出 端，当 Q 为高电平时， 为低电平；当 Q 为低电平时， 为高电平。S 和 是两个输入端，当 S 和 均为低电平时，Q 为低电平， 为高电平；反之， 当 S 和 均为高电平时，Q 为高电平， 为低电平；当 S 为低电平且 为高 电平时， Q 和 保持原状态不变，即储存 S 和 变化前的状态。 （4）ICL8038 工作原理
    当给函数发生器 ICL8038 合闸通电时，电容 C 的电压为 0V，电压比较器Ⅰ 和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而 RS 触发器的输出 Q 为低电平， 为高电平； 使开关 S 断开，电流源 IS1 对电容充电，充电电流为 IS1=I 因充电电流是恒流，所以，电容上电压 UC 随时间的增长而线性上升。当 UC 上升 到 1/3VCC 时，虽然 RS 触发器的 R 端从低电平跃变为高电平，但其输出不变。一 直到 UC 上升到 2/3VCC，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，Q 才变为高电 平（同时 变为低电平），导致开关 S 闭合，电容 C 开始放电，放电电流为 IS2-IS1=I 因放电电流是恒流，所以，电容上电压 UC 随时间的增长而线性下降。起初， UC 的下降虽然使 RS 触发器的 S 端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直 到 UC 下降到 1/3VCC，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，Q 才变为低电平 （同时 为高电平），使得开关 S 断开，电容 C 又开始充电，重复上述过程，周 而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上 电压为三角波，Q(和 )为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变 正弦波电路输出正弦波电压。 适当选择外部的电阻 RA 和 RB 和 C 可以满足方波函数等信号在频率、占空比 调节的全部范围。因此，对两个恒流源在 I 和 2I 电流不对称的情况下，可以循 环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相 等，就可获得锯齿波等函数信号。 正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线 性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038 中的非线性网络是由 4 级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来，逼近点越多 得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中 N＝4，失真度可以小于 1。 在实测中得到正弦信号的失真度可达 0．5 左右。其精度效果相当满意。 ①根据 ICL8038 内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为 故 RB<2RA
    ②电路振荡频率为 f=1/T=I1(1-I1/I2)/VHC 其中，VH 是窗口比较器上下限电压的差值，即 2/3VCC-1/3VCC=1/3 VCC； 电路设计时通常取 I2=2I1。因此电路振荡频率可转换为 f=1/T= I1(1- I1/I2 )/(1/3)VCCC=3I1/2VCCC 恒流源 I 的电流大小通常可由外部控制，从⑧脚外加电位器调节电流大小，以改 变电路振荡频率。 三、总电原理图 图 1 稳压电源部分 C29=2200 uＦ C30=0.33 uＦC31=0.1 uＦ C32=100 uＦ C33=2200 uＦ C34=0.33 uＦ C35=0.1 uＦC36=100 uＦ
    图 2 信号产生部分 1、稳压电源 图 1 所示电路为双极性±12 伏对称稳压电源电路，从图可见，稳压电源 是由变压器、二极管整流桥、滤波器和集成稳压等环节组成。它采用两只三
    端稳压器，7812 和 7912 构成的简单实用的对称型正负稳压电源。该电源输 出电压为±12V，输出电流最大为 l.5A。对 7812 和 7912 的选择，力求性能 参数尽量对称。 注意 7912 管脚的输入、输出和接地都与 7812 不同的。 工作原理： 首先，通过变压器，给电路的 1 与 3 两端输入 15 伏的交流电压。接着 进入整流桥，通过整流桥整流滤波后得到的直流输入电压分别接在 7812 与 7912 的输入端和公共端之间，也就是它们的第 2 和第 3 脚。在输出端即可得 到稳定的输出电压正 12 伏电压。为了改善纹波电压，在输入端接入电容 C30 及 C34，一般 C30 及 C34 的容量为 0.33uF。出端接上电容及，以改善负载的瞬 态响应，C31 及 C35 的容量一般为 0.1uF。两个电容应接在集成稳压器的引脚 处。 输入电流电压 Ui 的值应至少比 Uo 高 2V 。另外，在稳压电源输出端 加上了一个发光二极管 D，其中 R 是二极管的保护电阻，以确保二极管的工 作电流在 0.5mA 左右。当有输出电压时，发光二极管就会亮。 使用中应注意： ①整流桥输出地端应接在大电解电容上，以利于降噪。电解电容应大于 1000 uＦ，以为 7812 三端稳压模块提供较稳定的直流输入。 ②为消除三端稳压模块内部产生的高次谐波，抑制稳压电路的自激震 荡，实现频率补偿，应在模块两端分别并联一小电容。 2、信号产生电路 图 2 所示为函数信号发生器，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①脚、⑫脚外接可变电阻，用于 改善正弦波的失真度，调节它们可使输出的正弦波接近于理想正弦波。 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，两只 100K 的可变电阻 R705 和 R706 反复 调节，可以使输出的正弦波达到很好的效果。 ④脚和⑤脚外接电阻，用于改变内部恒流源 I1 和 I2 的比值，从而控制输出 信号的占空比，通常输出方波信号。在④脚和⑤脚外接两个 3.6KΏ电阻，为了克 服电阻的误差，常用一个可变电阻即 RW703 进行微调，使输出信号的占空比为 50%。 ⑧脚外接电位器 R701 用于改变电路振荡频率，调节它可使电路振荡频率在 20Hz～20KHz 范围内变化。 输出端的 LF353 是双运放，第一级运放是反相比例运算电路，放大倍数约为 10 倍，采用电压并联负反馈方式，用于波形放大；第二级运放采用电压串联负 反馈方式，因为 ICL8038 的输出端为高阻输出，如果所接负载为低阻负载，则应
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