通信工程畢業設計-多種波形發生器的設計(文件)

　

【正文】 計和完成更具有使用價值。可見信號源在各種實驗應用和實驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。 國內外波形發生器的發展狀況 任意波形發生器是能夠產生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩定性、可重復性和易操作性的電子儀器。任意波形發生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數段把波形數據存入存儲器。 （ 2）隨著信息技術的蓬勃發展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又在繁榮起來。 本文所研究的內容 本論文 的任務是根據波形發生器的特點和應用情況，結合新一代高性能芯片及其外圍擴展系統設計一種使用簡單、性能優良的波形發生器，該波形發生器在改變頻率的情況下能產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形。 在保證正確的前提下，盡量采用典型的電路設計。用 集成運放構成電壓比較器，將正弦波信號變換成方波信號輸出。而這是電路所不希望的。由于外接電容的充、放電電流由兩個電流源控制，所以電容兩端電壓 的變化與時間成線性關系，從而可以獲得理想的三角波 輸出。 綜合上述分析， 通過比較兩種方案 ,我 采用了第二種方案來產生信號。 函數信號發 生器是是由基礎的非正弦信號發生電路和正弦波形發生電路組合而成。此時 ZO Uu ? 通過 1R 向 C 充電，使運放反相輸入電壓 CN uu ?由零逐漸上升。在 PN uu ? 以前， ZO Uu ?? 保持不變。其振蕩周期為 )21l n(21213 RRCRttT f ???? () 若選取適當的 1R 、 2R 值，使 )( 212 ??? RRRF ，則 CRT f2? ，于是振蕩頻率為： 三角波發生器： 根據 RC 積分電路輸入和輸出信號波形的關系可知，當 RC 積分電路的輸入信號為方CRTf f2 110 ??西安工業大學北方信息工程學院畢業設計（論文） 8 波時，輸出信號就是三角波，由此可得，利用方波信號發生器和 RC 積分電路就可以組成三角波信號發生器。圖中 1A 等還可構成同相滯回比較器， 2A 和 4R 、 C 等組成反相積分電路。 圖 三角波電 路原理圖 根據上圖可以看出在 t=0 時，比較器 1A 輸出電壓為高電平，電容兩端的電壓為零，即 1pu 略低于 ZO Uu ?)0(1 ， 0)0( ?Cu ，則積分電路輸出電壓 0)0()0( ??? CO uu 。可見，在 2tt? 前的一瞬間， 01?Pu ， ZO Uu ??1 ，則 212 )( RURtu ZO ?? ， 故 在 2tt? 以后電路周而復始，循環不以，形成振蕩。顯然，三角波 Ou 峰值為： Zom URRU 12? () 下面求振蕩周期。但 A 比 3 大得多了會導致輸出正弦波形變差。 （ 4）濾波后的直流電壓，再通過穩壓電路穩壓，便可得到基本不受外界影響的穩定直流電壓輸出，供給負載 RL。 （ 4）穩壓電路：穩壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩定，不隨交流電網電壓和負載的變化而變化 ,從而獲得足夠高的穩定性 。電路的輸出波形如圖 4 所示。 317 系列穩壓器輸出連續可調的正電壓，337 系列穩壓器輸出連可調的負電壓，可調范圍為 ~37V，最大輸出電流 maxOI 為 。 t?0 ? ?2 ?3 ?422Ut?0 ? ?2 ?3 ?4ou22U圖 圖 輸出波形圖 西安工業大學北方信息工程學院畢業設計（論文） 14 圖 管腳 圖 輸出電壓表達式為 : ?????? ?? RRPUo () 式中， 是集成穩壓塊輸出端與調整端之間的固有參考電壓 REFV ，此電壓加于給定電阻 1R 兩端，將產生一個恒定電流通過輸出電壓調節電位器 1RP ， 電阻 1R 常取 ?? 240~120 ，1RP 一般使用精密電位器，與其并聯的電容器 C 可進一步減小輸出電壓的紋波。 ② . 選擇電源變壓器 1）確定副邊電壓 U2: 根據性能指標要求： Uomin=3V Uomax=9V 又 ∵ UiUomax≥ (UiUo)min UiUoin≤ (UiUo)max 其中：（ UiUoin） min=3V， (UiUo)max=40V ∴ 12V≤ Ui≤ 43V 此范圍中可任選 ： Ui=14V=Uo1 根據 Uo1=(～ )U2 可得變壓的副邊電壓 ： VUU O 12 ?? () 2）確定變壓器副邊電流 I2 ∵ Io1=Io 西安工業大學北方信息工程學院畢業設計（論文） 15 又副邊電流 I2=(～ 2)IO1 取 IO=IOmax=800mA 則 I2=＊ = () 3）選擇變壓器的功率 變壓器的輸出功率： PoI2U2= () ③ . 選擇整流電路中的二極管 ∵ 變壓器的副邊電壓 U2=12V ∴ 橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為： VU 172 2 ? 橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為： AIo ?? 查手冊選整流二極管 IN4001，其參數為：反向擊穿電壓 UBR=50V17V 最大整流電流 IF=1A ④ . 濾波電路中濾波電容的選擇 濾波電容的大小可用式 求得。 RC 振蕩器的設計，可按以下幾個步驟進行 ： 1． 根據已知的指標，選擇電 ioUtIC ??iiooVUUUUS ???西安工業大學北方信息工程學院畢業設計（論文） 16 路形式。 圖 RC 正弦波振蕩器 設計步驟如下： 根據設計要求，選擇圖 51 所示電路。按： Ri ?? R ?? R0 的關系選擇 R 的值。 由振蕩的振幅條件可知，要使電路起振， Rf應略大于 2R3，通常取 Rf=。 （ 4）確定穩幅電路及其元件值。 （ 5） R5與 R2的確定 由于二極管的非線性會引起波形失真，因此，為了減小非線性失真，可在二極管的兩端并上一個阻值與 rd（ rd 為二極管導通時的動態電阻）相近的電阻 R5。 R2=Rf ?（ R5//rd） ? Rf ? 5 ? 63k? ? k? = 62k? 為了達到最佳效果 , R2可用 30k?電阻和 50 k?的電位器串聯（即 R2=R4+Rw）。多級放大器在工作過程中，一般先由小信號放大電路對輸入信號進行電壓放大，再由功率放大電路進行功率放大，以控制或驅 動負載電路工作。其中由晶體三極管 T1組成推動級（也稱前置放大級）， T T3是一對參數對稱的 NPN 和 PNP 型晶體三極管，它們組成互補推挽 OTL 功放電路。調節 RW2，可以使 T T3得到合適的靜態電流而工作于甲、乙類狀態，以克服交越失真。 ① 、 OTL 電路的主要性能指標 ： 最大不失真輸出功率 P0m 理想情況下，L2CCom RU81P ?，在實驗中可通過測量 RL 兩端的電壓有效值，來得實際 。 5177。頻率范圍是 ，頻率溫漂僅 50ppm/℃(1ppm=106)。 （ 4）矩形波占空比的調節范圍很寬， D=1%99%，由此可獲得窄脈沖、寬脈沖或方波。芯片內部包括兩個恒流源 ， 兩個電壓比較器，兩個緩沖器，正弦波變換器，模擬開關， RS 觸發器。改變電容器的充放電時間，可實現三角波與鋸齒波方波與矩形波的互相轉換。 T＝ t1＋ t2 f＝ 1／ T 由于三角函數信號在電容充電時，電容電壓上升到比較器規定輸入電壓的 1／ 3 倍，分得的時間為 t1=CV/I=(C+1/3?Vcc?R A)/(1/5?Vcc)=5/3RA?C 在電容放電時，電壓降到比較器輸入電壓的 1／ 3 時，分得的時間為 t2＝ CV／ I＝ (C＋ 1/3?VCC)/(2/5?VCCRB－ 1/5?VCC/RA)＝ (3/5?RA＊ RB?C)/(2RA－RB) 西安工業大學北方信息工程學院畢業設計 （論文） 21 f＝ 1／（ t1＋ t2）＝ 3／｛ 5RAC［ 1＋ RB／（ 2RA－ R）］｝ () 對圖中，如果 RA＝ RB，就可以獲得占空比為 50％的方波信號。該芯片的第1 腳和第 12 腳就是為調節輸出正弦波失真度而設置的。在圖 52 中， ICL8038由恒流源 I I2，電壓比較器 C C2和觸發器等組成。由于 I2I1， 因此電容 C 放電， vc隨時間線性下降。三角波經正弦波變換器變成正弦波后由腳 2 輸出。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，在單位時間內電容器端電壓將線性下降，當電容電壓下降到比較器 2的輸入電壓規定值的 1／ 3 倍時，比較器 2狀態改變，使觸發器又翻轉回到 原來的狀態，這樣周期性的循環，完成振蕩過程。因此，對兩個恒流源在 I和 2I 電流不對稱的情 況下，可以循環調節，從最小到最大，任意選擇調整，所以，只要調節電容器充放電時間不相等，就可獲得鋸齒波等函數信號。一般說來，逼近點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。 Uc的上升使 RS觸發器的 R 端從低電平躍變為高電平，但其輸出不變，一直到 Uc 上升到 1／ 3 VCC 時，電壓比較器 Ⅰ 的輸出電壓躍變為高電平， Q才變為高電平（ Q’ 同時變為低電平），導致電子開關 S 閉合，電容 C 開始放電，放電電流為 IS2－ IS1＝ I，因放電電流是恒流，所以，電容上電壓 Uc隨時間的增長而線性下降。由于充電電流與放電電流數值相等，因而電容上電壓為對稱三角波形 ,Q 為方波，經緩沖放大器輸出。可用單電源供電，也可雙電源供電，他們的值為 177。 正弦函數信號的失真度調節 由于 ICL8038 單片函數發生器所產生的正弦波是由三角波經非線性網絡變換而獲得。圖中， R R2 為定時電阻，均為可調式，阻值范圍為 1kΩ～ 1MΩ。由于第 9 腳為集電極開路輸出，必須外接集電極負載電阻 R4。 b. 當 R1≠ R2 時 ，矩形波不再是方波，管腳 2 不再是正弦波。用雙電源供電時，所有輸出波形相對于地（ GND）電平均是正負相稱的。 (4)為了使振蕩信號獲得最佳的特征 ,流過 ICL8038集成電路 4腳和 5腳的電流不能過大或者過小 .若過大 ,將使三角波的線性變壞 ,從而導致正弦波失真度增大 :若過小 ,則電容的漏電流影響變大 ,通過 ICL8038 集成電路 4 腳和 5腳的最佳電流為 1uA1mA。對老師的感激之情是無法用言語表達的。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過 四 年 生活的各位同 學 ，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個一個的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完 設計，那些問題就迎刃而解了。所以這 次的 設計對我 的作用是非常大的。同時，在老師的身上我們學也到很多實用的知識，在 此 我 表示感謝！同時，對給過我幫助的所有同學和各位指導老師再次表示忠心的感謝！參考文獻 28 參考文獻 [1] 康華光 , 鄒壽彬 ， 電子技術基礎數字部分 (第四版 ). 北京 :高等教育出版社 ,1999 [2] 杜膚生 , 數字集成電路應用精粹 . 北京 :人民郵電出版社 ,2021 [3] 。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發現了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。比如一些芯片的功能， 平時看課本，這次看了，下次就忘了，通過 實踐讓我 對各個元件 印 象深刻。 我 覺 得做 畢業 設計同時也是對課本