模拟电子技术基础课程设计报告-函数发生器的设计

模拟电子技术基础课程设计报告-函数发生器的设计内容摘要：

到广泛应用。 一台电子产品的设计过程，从概念的确立，到包括电路原理、 PCB 版图、单片机程序、机内结构、 FPGA 的构建及仿真、外观界面、热稳定分析、电磁兼容分析在内的物理级设计，再到 PCB 钻孔图、自动贴片、焊膏漏印、元器件清单、总装配图等生产所需资料等等全部在计算机上完成。 EDA 技术借助计算机存储量大、运行速度快的特点，可对设计方案进行人工难以完成的模拟评估、设计检验、设计优化和数据处理等工作。 2 函数发生器的几种设计方法 基于 555 的函数发生器设计 通过 555 定时器进行函 数发生器的设计，电路简单，成本低廉。 555 定时器是集模拟电路和数字电路为一体的中规模集成电路，只要适当配接少量的外围元件，可以方便的构成脉冲产生电路、脉冲变换电路及其它具有定时功能的电路。 设计思路为：由 555 定时器构成的多谐自激震荡器得到方波；方波通过一阶 RC 积分电路得到三角波；三角波再通过二阶 RC 积分电路得到正弦波。 A15 5 5 _ V I R T U A LGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIV C C12VR11kΩR220kΩR3100kΩK e y = A65%C11 0 n FC21 0 n FC31 0 0 u FC44 7 0 n FC51 0 0 n FC61 0 0 n FR45 .1 k ΩR510kΩR610kΩR71kΩJ1K e y = S p a c e42V C C135 809XSC1T e kt ro n ix1 2 3 4 TGP67XDA1T H D10图 211 555 定时器构成的函数发生器 12 图 212 电路仿真波形图 由 555 定时器构成的函数发生器，电路简单，成本低廉，如稍许增加正弦波放大电路及幅度调节 电路，即可构成简单实用的信号源。 基于 ICL8038 函数发生器设计 ICL8038 的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间，它可以同时输出方波（或脉冲波）、三角波、正弦波。 其内部组成如图所示。 输出波形频率可变且精确度高，当输出波形频率小于 10KHz 时，误差仅为 %。 其中，振荡电容 C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。 恒流源 2 的工作状态是由恒流源 1对电容器 C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续 控制的。 当触发器的状态使恒流源 2 处于关闭状态，电容电压达到比较器 1 输入电压规定值的 2／ 3 倍时，比较器 1 状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关 K由 B 点接到 A点。 由于恒流源 2的工作电流值为 2I，是恒流源 1的 2 倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器 2 的输入电压规定值的 1／ 3 倍时，比较器 2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。 图 221 ICL8038 内部框图 13 在以上基本电路中很容易获得 3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放 电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。 由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚 3和管脚 9 输出。 图 222为 ICL8038 的管脚图，下面介绍各引脚功能。 脚 12（ Sine Wave Adjust）：正弦波失真度调节；脚 2（ Sine Wave Out）：正弦波输出；脚 3（ Triangle Out）：三角波输出；脚 5（ Duty Cycle Frequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚 6（ V＋）：正电源177。 10V～177。 18V；脚 7（ FM Bias）：内部频率调节偏置电压输；脚 8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入；脚 9（ Square Wave Out）：方波输出，为开路结构；脚 10（ Timing Capacitor）：外接振荡电容；脚 11（ V－ or GND）：负电原或地；脚 1 14（ NC）：空脚。 S Q UA R E9S INE2T RI A NG L E3D_A D J 14D_A D J 25V+6CA P10S _ A D J 212V11S _ A D J 11S W E E P8F M _ B IA S7U1ICL8 0 3 8C10 .1 u FC21 0 0 p F99%R V 11 0 0 k0%R V 21k33%R V 31 0 0 kR14 .7 kR24 .7 kR31k+ 1 2 V 1 2 VABCD图 222 ICL8038 管脚图 C 1 0 .1  F RP 2 1k  R A RB 4 . 7k  4 . 7k  5 4 6 R L 15 k  + 5V ＋ V CC 9 3 2 8 ADJ F2 ADJ F1 V + SQ TR 1 S I N V–/ G N D FM IN C t C t 4700pF 10 11 12 RP 3 100k  20H z ~ 20kH z – 5V RP 1 10k  R 1 20k  8038 – V EE ADJ S2 图 223 ICL8038 组成的音频函数发生器 14 通过调节 RV2 的位置，即可调节函数发生器的输出震荡频率的 大小 基于单片机的函数发生器设计 可以以 AT89C52 单片机为核心，选用 DAC0832 为模数转换芯片，并辅以必要的模拟电路，设计基于 AT89C52 单片机的函数发生器。 该方案的主要思路是采用编程的方法来产生希望得到的波形，用户将要输出的波形预先储存在半导体存储器中，在需要某种波形时将存储在存储器中的数据依次读出来，经过数模转换、滤波等处理后，输出该波形信号。 该方案优点是输出信号的频率稳定抗干扰能力强，实现任意波形的信号容易，可通过外置按键或键盘来设定所需要产生信号源的类 型和频率，还可以通过显示器显示波形的相关信息。 不足之处是由于单片机的处理数据速度有限，当产生频率比较高的信号时，输出波形的质量将下降。 3 函数发生器的设计 目的及 框图 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。 根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路 (如单片函数发生器模块 AT89C52)。 为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波 — 三角波 — 正弦波函数发生 器的设计方法。 产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，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；也可以首先产生三角波 — 方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。 本课题采用先产生方波 — 三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图图 311所示： 图 224 ICL8038 函数发生器电路 图 225 仿真波形图 15 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。 4 函数发生器工作原理 函数发生器原理图 图 41三角波 — 方波 — 正弦波函数发生器实验电路 方波产生电路 图 421所示电路能自动产生方 波。 其电路的工作原理如下： v o1 + 12 V 13 12 4 R 3 20k  – 12V 47k  10k  R 2 2 R 1 10k  1 RP 2 R 4 5 .1 k  100k  7 6 R 5 10k  A 1 A 2 9 4 C 1 10  F ＋ ＋ S C 2 1  F + 12 V v o 2 10 ＋ C 3 470  F RP。