通信工程畢業(yè)設(shè)計(jì)-多種波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)-資料下載頁

【導(dǎo)讀】量和自動(dòng)控制等系統(tǒng)中。通常把既能產(chǎn)生正弦波又能產(chǎn)生三角波、方波、鋸齒波等非正弦輸出信號的。在電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，要求信號源的溫度、頻率的穩(wěn)定性都比較高。論文撰寫符合管理規(guī)范手冊要求。波形發(fā)生器亦稱為函數(shù)信號發(fā)生器，是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波，鋸齒波，擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出往往需要的RC值很大，這樣不但參數(shù)準(zhǔn)確度難以保證，因此，高精度，寬調(diào)幅，低價(jià)格將成為信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢。，方波，正弦波的芯片，再搭外接電路構(gòu)成的函。本次設(shè)計(jì)是以ICL8038集成塊為核心器件，制作一種函數(shù)信號發(fā)生器。30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。過變化電路產(chǎn)生其他波形，再通過功率放大電路已達(dá)到所需的波形。空比還可以由電流或電阻控制。

　　

【正文】 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?R A)/(1/5?Vcc)=5/3RA?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?VCCRB－ 1/5?VCC/RA)＝ (3/5?RA＊ RB?C)/(2RA－RB) 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （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。其頻率 f＝ 3／（ 10RAC）。 針對以上電路失真無法調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，我們改進(jìn)方案，實(shí)現(xiàn)正弦波正負(fù)失真的可調(diào)。見圖 514， 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。下圖為一個(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 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稱調(diào)節(jié)。 圖 ： 失真和占空比可調(diào) 圖 ： 失真、占空比、頻率可調(diào) 圖 514電路無法調(diào)節(jié)頻率，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 10k 電位器，我們可以控制 8端電壓的調(diào)節(jié)范圍 2/3 Vcc 到 Vcc。 ICL8038 內(nèi)部原理 ICL8038 是單片集成函數(shù)發(fā)生器，其內(nèi)部 原理電路框圖 如圖 52。在圖 52 中， ICL8038由恒流源 I I2，電壓比較器 C C2和觸發(fā)器等組成。電壓比較器 C C2 的門限電壓分別為 2VR/3 和 VR/(VR=VCC+VEE)，電流源 I1和 I2的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，且 I2必須大于 I1。當(dāng)觸發(fā)器的 Q 端輸出為低電平時(shí)，它控制開關(guān) S 使電流源 I2斷開。而電流源 I1則向外接電容 C 充電，使電容兩端電壓 VC隨時(shí)間線性上升，當(dāng) VC上升到 VC=2VR/3 時(shí)，比較器 C1輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端 Q 由低電平變?yōu)楦唠娖?，控制開關(guān) S 使電流源I2接通。由于 I2I1， 因此電容 C 放電， vc隨時(shí)間線性下降。當(dāng) vc下降到 vc≤ VR/3 時(shí)，比西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 22 較器 C2輸出發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出端 Q 又由高電平變?yōu)榈碗娖剑?I2再次斷開， I1再次向 C 充電， vc又隨時(shí)間線性上升。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩，若 I2=2I1， vc上升時(shí)間與下降時(shí)間相等，就產(chǎn)生三角波輸出到腳 3。而觸發(fā)器輸出的方波經(jīng)緩沖器輸出到腳 9。三角波經(jīng)正弦波變換器變成正弦波后由腳 2 輸出。 因此， ICL8038 能輸出方波、三角波和正弦波等三 種不同的波形 圖 內(nèi)部原理電路框圖 其中，振蕩電容 C由外部接入，它是由內(nèi)部兩個(gè)恒流 源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態(tài)是由恒流源 1對電容器 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 原來的狀態(tài)，這樣周期性的循環(huán)，完成振蕩過程。 在以上基本電路中很容易獲得 3種函數(shù)信號，假如電容器在充電過程和在放電過程的時(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，在芯片內(nèi)部，這兩種函數(shù)信號經(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)等信號在頻率、占空比調(diào)節(jié)的全西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 23 部范圍。因此，對兩個(gè)恒流源在 I和 2I 電流不對稱的情 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。 正弦函數(shù)信號由三角波函數(shù)信號經(jīng)過非線性變換而獲得。利用二極管的非線性特性，可以將三角波信號的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。 ICL8038 中的非線性網(wǎng)絡(luò)是由 4級擊穿點(diǎn)的非線性逼近網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。一般說來，逼近點(diǎn)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。在實(shí)測中得到正弦信號的失真度可達(dá)0． 5左右。其精度效果相當(dāng)滿意 。 工作原理 當(dāng)給函數(shù)發(fā)生器 ICL8038 接通電源時(shí)，電容 C的電壓為 0 V，電壓比較器 Ⅰ 和 Ⅱ 的輸出電壓均為低電平；因而 RS觸發(fā)器的輸出 Q 為低電平， Q’ 為高電平；使電子開關(guān) S斷開，電流源 IS1 對電容充電，充電電流時(shí)間的增長而線性上升。 Uc的上升使 RS觸發(fā)器的 R 端從低電平躍變?yōu)楦唠娖剑漭敵霾蛔?，一直?Uc 上升到 1／ 3 VCC 時(shí)，電壓比較器 Ⅰ 的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖剑?Q才變?yōu)楦唠娖剑?Q’ 同時(shí)變?yōu)榈碗娖剑?，?dǎo)致電子開關(guān) 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(shí)間的增長而線性下降。起初， Uc 的下 降雖然使 RS 觸發(fā)器的 S端從高電平躍變?yōu)榈碗娖剑漭敵霾蛔?。一直?Uc 下降到 1／ 3 VEE，使電壓比較器 Ⅱ 的輸出電壓躍變?yōu)榈碗娖剑?Q才變?yōu)榈碗娖剑?Q’ 同時(shí)為高電平），使得電子開關(guān) S 斷開，電容 C 又開始充電。重復(fù)上述過程，周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。由于充電電流與放電電流數(shù)值相等，因而電容上電壓為對稱三角波形 ,Q 為方波，經(jīng)緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。通過以上分析可知，改變電容充電放電電流即改變 RA， RB 的數(shù)值，或改變電容 C 的數(shù)值，就改變了充放電時(shí)間，因此可改變其頻率。 ICL8038 是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器。可用單電源供電，也可雙電源供電，他們的值為 177。5 ～ 177。15 V ，我們?nèi)?177。15 V ，頻率的可調(diào)范圍為 ～ 250 kHz，輸出矩形波的占空比可調(diào)范圍為 5％～ 90％。 正弦函數(shù)信號的失真度調(diào)節(jié) 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 561 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。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 24 圖 正弦波失真度 調(diào)節(jié)電路 ICL8038 的 典型應(yīng)用 IC8038 的典型應(yīng)用電路見圖 771。圖中， R R2 為定時(shí)電阻，均為可調(diào)式，阻值范圍為 1kΩ～ 1MΩ。調(diào)節(jié)能改變振蕩頻率以及矩形波的占空比。為定時(shí)電容，也影響振蕩頻率。 R3 用來調(diào)整正弦波的失真。由于第 9 腳為集電極開路輸出，必須外接集電極負(fù)載電阻 R4。 特別，當(dāng) R1=R2=R 時(shí)， I2=2I，即 t1=t2， D=50%，此時(shí)輸出為對稱的方波、三角波和正弦波。式子 化簡成 : fo= 如果在把第 5 兩腳短接，經(jīng)過一只公用的定時(shí) 電阻 R 接 V+，振蕩頻率的計(jì)算公式 : fo = 圖 ICL 8038典型應(yīng)用電路 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文） 25 a. 當(dāng) R1=R2=R 時(shí)， I2=2I，占空比為 D=50%，輸出為方波，三角波，正弦波。振蕩頻率為 fo=。 b. 當(dāng) R1≠ R2 時(shí) ，矩形波不再是方波，管腳 2 不再是正弦波。此時(shí)振蕩頻率為 fo =。 c. 振蕩頻率： ∵圖中 R1 與 R2 并聯(lián)且 R1=R2=100KΩ ， ∴ R= R1*R2/（ R1+R2） =100*100/（ 100+100） = 50KΩ ① 當(dāng)開關(guān) S 接在 1C =100pF 時(shí)， fo=； ② 當(dāng)開關(guān) S 接在 2C = 時(shí)， fo=； ③ 當(dāng)開關(guān) S 接在 3C =1uF 時(shí)， fo=。 ④ 當(dāng)開關(guān) S 接在 4C =10uF 時(shí)， fo= : （ 1）用單電源供電時(shí)，三角波和正弦波的平均值等于 V+ /2，而方波幅度為 V+。用雙電源供電時(shí)，所有輸出波形相對于地（ GND）電平均是正負(fù)相稱的。 （ 2）方波輸出的電壓幅度不受 V+的限制，也可以把負(fù)載電阻 R4 改接其它電源電壓 E+上，但 E+不得超過 +30V。 （ 3）為 減小正弦波的失真，可將圖 3 中的 R3（ 82kΩ）換成 100kΩ可調(diào)電阻。還可以采用圖 5所示電路，該電路適合對振蕩器作小范圍調(diào)整（ R 是調(diào)節(jié)電阻），并使正弦波的失真度減小到 %以下， R R7為失真度調(diào)節(jié)電阻。 (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(dǎo)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。致謝 26 致 謝 本課題在選題及研究過程 是在楊永俠 老師 的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。老師多次詢問研究進(jìn)程，并為我指點(diǎn)迷津，幫助我開拓研究思路，精心點(diǎn)撥、熱忱鼓勵(lì)。老師他們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致 、 一絲不茍的工作作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的態(tài)度，踏踏實(shí)實(shí)的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時(shí)三載，卻給以終生受益無窮之道。對老師的感激之情是無法用言語表達(dá)的。 感謝 帶過我的 老師對我的教育培養(yǎng)。他們細(xì)心指導(dǎo)我的學(xué)習(xí)與研究， 從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，老師 們 都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此，我要向諸位老師深深地 鞠上一躬 并 致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 在此，我還要感謝在一起愉快的度過 四 年 生活的各位同 學(xué) ，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。 在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意 !最后我還要感謝培養(yǎng)我長大含辛茹苦的父母，謝謝你們 !心得體會(huì) 27 心得體會(huì) 通過這次 畢業(yè) 設(shè)計(jì) ，加強(qiáng)了 我 的 動(dòng)手、思考和解決問在設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到這樣那樣的情況，就是心里想老著這樣的接法可以行得通，但實(shí)際接上電路 ，總是實(shí)現(xiàn)不了，因此耗費(fèi)在這上面的時(shí)間用去很多。 我 覺 得做 畢業(yè) 設(shè)計(jì)同時(shí)也是對課本知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，由于課本上的知識(shí)太多，平時(shí)課間的學(xué)習(xí)并不能很好的理解和運(yùn)用各個(gè)元件的功能，而且 考試 內(nèi)容有限，所以在這次 畢業(yè) 設(shè)計(jì)過程中，我們了解了很多元件的功能，并且對于其在電路中的使用有了更多的認(rèn)識(shí)。增強(qiáng)解決問 題的能力。 平時(shí)看課本時(shí)，有時(shí)問題老是弄不懂，做完 設(shè)計(jì)，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。比如一些芯片的功能， 平時(shí)看課本，這次看了，下次就忘了，通過 實(shí)踐讓我 對各個(gè)元件 印 象深刻。認(rèn)識(shí)來源于實(shí)踐，實(shí)踐是認(rèn)識(shí)的動(dòng)力和 最終目的，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這 次的 設(shè)計(jì)對我 的作用是非常大的。 通過這次設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)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(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。 這次 畢業(yè) 設(shè)計(jì)終于順利完成了，在設(shè)計(jì)中遇到了很多專業(yè)知 識(shí)問題，最后在 老師的辛勤指導(dǎo)下，終于 迎刃 而解。同時(shí)，在老師的身上我們學(xué)也到很多實(shí)用的知識(shí)，在 此 我 表示感謝！同時(shí)，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝！參考文獻(xiàn) 28 參考文獻(xiàn) [1] 康華光 , 鄒壽彬 ， 電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分 (第四版 ). 北京 :高等教育出版社 ,1999 [2] 杜膚生 , 數(shù)字集成電路應(yīng)用精粹 . 北京 :人民郵電出版社 ,2021