模電課程設(shè)計(jì)
模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)
題目: 多功能三角波產(chǎn)生器
院 系:工學(xué)院電氣與電子工程系
專 業(yè): 電氣工程及其自動(dòng)化
班 級(jí):
姓 名:
學(xué) 號(hào):
指導(dǎo)教師:
二〇一六 年 十二 月
多功能三角波產(chǎn)生器
摘 要
信號(hào)發(fā)生器根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的信號(hào)發(fā)生器,其電路中使用的器件可以是分離器件,也可以是集成器件,產(chǎn)生方波、正弦波、三角波的方案也有多種
本系統(tǒng)以ICL8038集成塊為核心器件,制作一種函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,制作成本較低。適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測(cè)量使用。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路,只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001Hz~30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。
關(guān)鍵詞:ICL8038 方波 正弦波 三角波
目錄
第1章 緒論 1
1.1 項(xiàng)目概況 1
1.2 項(xiàng)目的意義 1
1.3 設(shè)計(jì)要求 2
第2章 方案的選擇及論證 3
2.1 設(shè)計(jì)方案 3
2.1.1 方案一 3
2.1.2 方案二 3
2.2 方案選取及論證 4
第三章 電路的設(shè)計(jì)過(guò)程 5
3.1 信號(hào)發(fā)生器原理圖 5
3.2 電路主要元件的分析 5
3.2.1 ICL8038 管腳功能圖及實(shí)物圖 5
3.2.2 ICL8038的性能特點(diǎn) 6
3.2.3 ICL8038的工作原理 7
3.3 系統(tǒng)電路的仿真 8
3.5 電源電路的設(shè)計(jì) 11
3.5.1 電源電路的原理 11
3.5.2 電源電路的仿真 11
第四章 元器件的選擇 13
總結(jié) 14
參考文獻(xiàn) 15
第1章 緒論
1.1 項(xiàng)目概況
信號(hào)發(fā)生器根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的發(fā)生器,其電路中使用的器件可以是分離器件,也可以是集成器件,產(chǎn)生方波,正弦波,三角波的方案有多種,如先產(chǎn)生正弦波,根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關(guān)系,再通過(guò)整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波,經(jīng)過(guò)積分電路后將其變?yōu)槿遣?。也可以先產(chǎn)生三角波-方波,再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,新材料新器件層出不窮,器件的可選擇性大幅增加,例如ICL8038就是一種技術(shù)上很成熟的可以產(chǎn)生正弦波,方波,三角波的主芯片。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢(shì)壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片,電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、精度高、易于用等優(yōu)點(diǎn),外部只需接入很少的元件即可工作,可同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波和正弦波,其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外電壓控制,可被應(yīng)用于壓控振蕩等波形。
1.2 項(xiàng)目的意義
信號(hào)發(fā)生器是科研及工程實(shí)踐中重要的儀器之一,在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計(jì)及調(diào)試過(guò)程中,用不同頻率的正弦波、三角波和方波常作為信號(hào)源,應(yīng)用十分方便。過(guò)去常由分立元件及集成運(yùn)放構(gòu)成振蕩器,分立元件體積大、相對(duì)耗能高、故障頻率也高。隨著集成電路的迅速發(fā)展,用集成電路可以很快、很方便的構(gòu)成各種信號(hào)波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比,其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo),都有很大的提高[1]。
1.3 設(shè)計(jì)要求
(1)輸出波形頻率范圍為0.02Hz∽20kHz且連續(xù)可調(diào);
(2)正弦波幅值為10V,失真度小于2%;
(3)方波幅值為10V;
(4)三角波峰-峰值為20V;
(5)各種波形幅值均連續(xù)可調(diào);
(6)設(shè)計(jì)電路所需的直流電源。
第2章 方案的選擇及論證
2.1 設(shè)計(jì)方案
2.1.1 方案一
采用由集成運(yùn)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(jì)方法。此方案中信號(hào)發(fā)生器電路組成框圖如圖2-1,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(lái)完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定,輸入阻抗高,抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí),可以有效地抑制零點(diǎn)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差分放大器傳輸特性曲線的非線性[1]。
圖 2-1 函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖
2.1.2 方案二
利用單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038、集成振蕩器、電位器等外圍電路靈活的組成,使通過(guò)電源來(lái)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等波形電路。工作原理整體框圖如圖2-2
幅度控制
方波
ICL8038
頻率選
擇控制
三角波
正弦波
直流電源
圖 2-2 ICL8038電路組成框圖
本系統(tǒng)以ICL8038集成塊為核心器件,制作一種函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,制作成本較低。適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測(cè)量使用。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路,只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001Hz~30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號(hào)。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)制信號(hào)輸入端,所以可以用來(lái)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制[2]。
2.2 方案選取及論證
經(jīng)過(guò)分析比較,由于方案一函數(shù)發(fā)生器所采用電路復(fù)雜,不易理解,更不容易掌握,所以本課題采用方案二用單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICL8038、集成振蕩器、集成定時(shí)器等靈活的組成來(lái)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等波形電路,具有線路簡(jiǎn)單,調(diào)試方便,功能完備,輸出波形穩(wěn)定清晰,信號(hào)質(zhì)量好,精度高,系統(tǒng)輸出頻率范圍較寬且經(jīng)濟(jì)實(shí)用,而且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。特別適合用于工控和電子實(shí)驗(yàn)室,當(dāng)輸出緩沖電路獨(dú)立設(shè)置多路時(shí),可同時(shí)多路輸出三種信號(hào),比較容易滿足設(shè)計(jì)需要。
第三章 電路的設(shè)計(jì)過(guò)程
3.1 信號(hào)發(fā)生器原理圖
由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波是由三角波經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度而設(shè)置的。圖3-1為一個(gè)調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度的典型應(yīng)用,其中第1腳調(diào)節(jié)振蕩電容充電時(shí)間過(guò)程中的非線性逼近點(diǎn),第12腳調(diào)節(jié)振蕩電容在放電時(shí)間過(guò)程中的非線性逼近點(diǎn),在實(shí)際應(yīng)用中,兩只100K的電位器應(yīng)選擇多圈精度電位器,反復(fù)調(diào)節(jié),可以達(dá)到很好的效果,圖3-1即為產(chǎn)生三種波形的函數(shù)發(fā)生器的原理圖[2]。
圖3-1 函數(shù)發(fā)生器原理圖
3.2 電路主要元件的分析
3.2.1 ICL8038 管腳功能圖及實(shí)物圖
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(duì)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 Sweep):外部掃描頻率電壓輸入;腳9(Square Wave Out):方波輸出,為開(kāi)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[5]。
圖3-2 ICL8038 管腳功能圖
圖3-3 ICL8038實(shí)物圖
3.2.2 ICL8038的性能特點(diǎn)[5]
(1)具有在發(fā)生溫度變化時(shí)產(chǎn)生低的頻率漂移,最大不超過(guò)50ppm/℃。
(2)正弦波輸出具有低于1%的失真度。
(3)三角波輸出具有0.1%高線性度。
(4)具有0.001Hz~1MHz的頻率輸出范圍;工作變化周期寬。
(5)2%~98%之間任意可調(diào);高的電平輸出范圍。
(6)從TTL電平至28V。
(7)具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號(hào)輸出。
(8)易于使用,只需要很少的外部條件。
3.2.3 ICL8038的工作原理
ICL8038 是單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,其內(nèi)部框圖如圖3-4所示。它由恒流源I1和 I2、電壓比較器A和B、觸發(fā)器、緩沖期和三角波變正弦波電路等組成。
圖3-4 內(nèi)部框圖
外接電容C由兩個(gè)恒流源充電和放電,振蕩電容C由外部接入,它是由內(nèi)部?jī)蓚€(gè)恒流源來(lái)完成充電放電過(guò)程。恒流源2的工作狀態(tài)是由恒流源1對(duì)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(dòng)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來(lái)連續(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(shí),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(kāi)關(guān)K由B點(diǎn)接到A點(diǎn)。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(shí)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(shí),比較器2狀態(tài)改變,使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)回到原來(lái)的狀態(tài),這樣周期性的循環(huán),完成振蕩過(guò)程。
在以上基本電路中很容易獲得4種函數(shù)信號(hào),假如電容器在充電過(guò)程和在放電過(guò)程的時(shí)間常數(shù)相等,而且在電容器充放電時(shí),電容電壓就是三角波函數(shù),三角波信號(hào)由此獲得。由于觸發(fā)器的工作狀態(tài)變化時(shí)間也是由電容電壓的充放電過(guò)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(hào),在芯片內(nèi)部,這兩種函數(shù)信號(hào)經(jīng)緩沖器功率放大,并從管腳3和管腳9輸出。適當(dāng)選擇外部的電阻RA和RB和C可以滿足方波函數(shù)等信號(hào)在頻率、占空比調(diào)節(jié)的全部范圍。因此,對(duì)兩個(gè)恒流源在I1和I2電流不對(duì)稱的情況下,可以循環(huán)調(diào)節(jié),從最小到最大,任意選擇調(diào)整,所以,只要調(diào)節(jié)電容器充放電時(shí)間不相等,就可獲得鋸齒波等函數(shù)信號(hào)。正弦函數(shù)信號(hào)由三角波函數(shù)信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性變換而獲得。利用二極管的非線性特性,可以將三角波信號(hào)的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率[3]。
3.3 系統(tǒng)電路的仿真
函數(shù)發(fā)生器的電路是在proteus中畫出原理電路圖并進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。因?yàn)樵O(shè)計(jì)要求是產(chǎn)生方波、三角波、正弦波,所以ICL8038的4管腳5管腳的外接電阻一定要相等才能產(chǎn)生占空比為50%的矩形波即方波,才可以產(chǎn)生三角波。如果占空比不為50%產(chǎn)生的波形就為鋸齒波。通過(guò)計(jì)算將4腳5腳的外接電阻都設(shè)為4.7K,外接電源為正負(fù)12V的直流電源,調(diào)節(jié)可變電阻器的阻值就可以產(chǎn)生頻率范周為0.02Hz~20kHz的方波、三角波和正弦波[4]。
圖3-5 總體電路的仿真
圖3-6 正弦波仿真圖
圖3-7 三角波仿真圖
圖3-8 方波仿真圖
3.5 電源電路的設(shè)計(jì)
3.5.1 電源電路的原理
直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置,它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成,見(jiàn)圖3-9
圖3-9 直流穩(wěn)壓電源方框圖
其中:電源變壓器:是降壓變壓器,它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓,并送給整流電路,變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。
整流電路:利用單向?qū)щ娫?,?0Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電
濾波電路:可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除,從而得到比較平滑的直流電壓。
穩(wěn)壓電路:穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定,不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化[2]。
3.5.2 電源電路的仿真
電路是在proteus中畫出原理電路圖并進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)[4]。
圖3-10 供電電路的仿真圖
第四章 元器件的選擇
由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器有兩種工作方式,即輸出函數(shù)信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)電壓可以由內(nèi)部供給,也可以由外部供給。在以上應(yīng)用中,由于第7腳頻率調(diào)節(jié)電壓偏置一定,所以函數(shù)信號(hào)的頻率和占空比由R1、R2和C決定,其頻率為F,周期T,t1為振蕩電容充電時(shí)間,t2為放電時(shí)間。
T=t1+t2 f=1/T
由于三角函數(shù)信號(hào)在電容充電時(shí),電容電壓上升到比較器規(guī)定輸入電壓的 1/3倍,分得的時(shí)間為
t1=CV/I=(C+1/3?Vcc?R1)/(1/5?Vcc)=5/3R1?C
在電容放電時(shí),電壓降到比較器輸入電壓的1/3時(shí),分得的時(shí)間為
t2=CV/I=(C+1/3?VCC)/(2/5?VCCR2-1/5?VCC/RA)=(3/5?R1*R2?C)/(2R1-R2)f=1/(t1+t2)=3/{5R1C[1+R2/(2R1-R2)]}
如果R1=R2,就可以獲得占空比為50%的方波信號(hào)。其頻率f=3/(10R1C)。
由于該芯片所產(chǎn)生的正弦波是由三角波經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度而設(shè)置的。其中第1腳調(diào)節(jié)振蕩電容充電時(shí)間過(guò)程中的非線性逼近點(diǎn),第12腳調(diào)節(jié)振蕩電容在放電時(shí)間過(guò)程中的非線性逼近點(diǎn),在安裝調(diào)試中,我們選用兩只100K的多圈精密電位器,反復(fù)調(diào)節(jié),達(dá)到了很好效果的方波占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對(duì)稱調(diào)節(jié)。
我們采用外部供給頻率調(diào)節(jié)電壓的方式實(shí)現(xiàn)頻率的可調(diào),通過(guò)10k電位器,我們可以控制8端電壓的調(diào)節(jié)范圍2/3Vcc到Vcc[3]。
總結(jié)
在本次課題設(shè)計(jì)中使用了ICL8038單片函數(shù)波形發(fā)生器,利用ICL8038制作出來(lái)的函數(shù)發(fā)生器具有線路簡(jiǎn)單,調(diào)試方便,功能完備,可輸出正弦波、方波、三角波,輸出波形穩(wěn)定清晰,信號(hào)質(zhì)量好,精度高,系統(tǒng)輸出頻率范圍較寬且經(jīng)濟(jì)實(shí)用,而且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。特別適合用于工控和電子實(shí)驗(yàn)室,當(dāng)輸出緩沖電路獨(dú)立設(shè)置多路時(shí),可同時(shí)多路輸出三種信號(hào),比較容易滿足實(shí)驗(yàn)需要。
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