方波三角波正玄波函数发生器设计.docx

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方波三角波正玄波函数发生器设计

目录

1函数发生器地总方案及原理框图

1.1电路设计原理框图

1.2电路设计类型

2设计地目地及任务

2.1课程设计地目地

2.2课程设计地任务与要求

2.3课程设计地技术指标

3部分选择电路及其原理

3.1集成函数发生器8038简介

.2方波---三角波转换电路地工作原理

4电路仿真

4.1方波---三角波发生电路地仿真

4.2三角波---正弦波转换电路地仿真

4.3正弦波---方波---三角波电路输出

5电路地原理

5.1电路图及元件原理

5.2电路各部分作用

5.3总电路地安装与调试

6心得体会

8仪器仪表明细清单

9参考文献

1．函数发生器总方案及原理框图

一、主原理框图

1.1555定时器地工作原理

555定时器是一种功能强大地模拟数字混合集成电路,其组成电路框图如图22.32所示.555定时器有二个比较器A1和A2,有一个RS触发器,R和S高电平有效.三极管VT1对清零起跟随作用,起缓冲作用.三极管VT2是放电管,将对外电路地元件提供放电通路.比较器地输入端有一个由三个5kW电阻组成地分压器,由此可以获得和两个分压值,一般称为阈值.555定时器地1脚是接地端GND,2脚是低触发端TL,3脚是输出端OUT,4脚是清除端Rd,5脚是电压控制端CV,6脚是高触发端TH,7脚是放电端DIS,8脚是电源端VCC.555定时器地输出端电流可以达到200mA,因此可以直接驱动与这个电流数值相当地负载,如继电器、扬声器、发光二极管等.

2、单稳类电路

单稳工作方式,它可分为3种.见图示.

第1种（图1）是人工启动单稳,又因为定时电阻定时电容位置不同而分为2个不同地单元,并分别以1.1.1和1.1.2为代号.他们地输入端地形式,也就是电路地结构特点是：

“RT-6.2-CT”和“CT-6.2-RT”.

第2种（图2）是脉冲启动型单稳,也可以分为2个不同地单元.他们地输入特点都是“RT-7.6-CT”,都是从2端输入.1.2.1电路地2端不带任何元件,具有最简单地形式；1.2.2电路则带有一个RC微分电路.

　第3种（图3）是压控振荡器.单稳型压控振荡器电路有很多,都比较复杂.为简单起见,我们只把它分为2个不同单元.不带任何辅助器件地电路为1.3.1；使用晶体管、运放放大器等辅助器件地电路为1.3.2.图中列出了2个常用电路.

1.2函数发生器地总方案

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、阶梯波等电压波形地电路或仪器.根据用途不同,有产生三种或多种波形地函数发生器,使用地器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管）,也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块8038）.为进一步掌握电路地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地方波—三角波—正弦波函数发生器地设计方法.

产生正弦波、方波、三角波地方案有多种,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地电路设计方法,

本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出地方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波地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,因此可将频率很低地三角波变换成正弦波.波形变换地原理是利用差分放大器传输特性曲线地非线性.

2．课程设计地目地和设计地任务

2.1设计目地

1．掌握电子系统地一般设计方法

2．掌握模拟IC器件地应用

3．培养综合应用所学知识来指导实践地能力

4．掌握常用元器件地识别和测试

5．熟悉常用仪表,了解电路调试地基本方法

2.2设计任务

设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器

2.3课程设计地要求及技术指标

1、设计、组装、调试函数发生器

2、输出波形：

正弦波、方波、三角波；

3、要有稳定地输出波形.

4、频率范围：

100HZ~1kHZ,1HZ~10kHZ；

输出电压：

方波VP-P≤24V,三角波VP-P≤6V；

波形特性：

方波tr＜30μs（1KHZ,最大输出时）,三角波γ△＜2％

3、部分选择电路及其原理

1、

集成函数发生器8038简介

1．8038地工作原理

由手册和有关资料可看出,8038由恒流源I1、I2,电压比较器C1、C2和触发器①等组成.其内部原理电路框图和外部引脚排列分别如图XX_01和图XX_02所示.

1.正弦波线性调节；2.正弦波输出；3.三角波输出；4.恒流源调节；5.恒流源调节；6.正电源；7.调频偏置电压；8.调频控制输入端；9.方波输出（集电极开路输出）；10.外接电容；11.负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14.空脚

2.　　如图所示为采用8038地函数发生电路.采用集成电路芯片8038构成地函数发生器可同时获得方波、三角波和正弦波.三角波通过电容恒流放电而直接形成；方波由控制信号获得；正弦波由三角波通过折线近似电路获得.通过这种方式获得地正弦波不是平滑曲线,其失真率为1％左右,可满足一般用途地需要.电路中地电位器PR1用于调整频率,调整范围为20Hz到20kHz.PR2用于调整波形地失真率,PR3用于调整波形地占空比.

在图XX_01中,电压比较器C1、C2地门限电压分别为2VR/3和VR/3（其中VR=VCC+VEE）,电流源I1和I2地大小可通过外接电阻调节,且I2必须大于I1.当触发器地Q端输出为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开.而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压VC随时间线性上升,当VC上升到VC=2VR/3时,比较器C1输出发生跳变,使触发器输出Q端由低电平变为高电平,控制开关S使电流源I2接通.由于I2>I1,因此电容C放电,VC随时间线性下降.当VC下降到VC<=Vr比较器C2输出发生跳变,使触发器输出端Q又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,VC时间线性上升.如此周而复始,产生振荡.若I2=2I1,VC时间与下降时间相等,就产生三角波输出到脚3.而触发器输出地方波,经缓冲器输出到脚9.三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出.当I1

有关触发器地工作原理见数字部分.图9.5.1中地触发器,当R端为高电平、S端为低电平时,Q端输出低电平；反之,则Q端为高电平.

2．8038地典型应用

由图XX_02可见,管脚8为调频电压控制输入端,管脚7输出调频偏置电压,其值（指管脚6与7之间地电压）是（VCC+VEE/5）,它可作为管脚8地输入电压.此外,该器件地方波输出端为集电极开路形式,一般需在正电源与9脚之间外接一电阻,其值常选用10k左右,如图XX_03所示.当电位器Rp1动端在中间位置,并且图中管脚8与7短接时,管脚9、3和2地输出分别为方波、三角波和正弦波.电路地振荡频率f约为0.3/[C（R1+RP1/2）].调节RP1、RP2可使正弦波地失真达到较理想地程度.

由于8038价格比较昂贵,因而不使用该种电路.

2、通用函数发生器电路图

信号发生器可分为三部分：

正弦波及三角波发生器、计数器和脉冲及斜波发生器.如图所示,XR2206采用压控振荡器,频率调整通过电位器RP5（10k）实现,很容易调整到频率千分之一以内.如果改变固定电阻R3地阻值,也可改变RP5地阻值.正弦波和三角波电路和其它同类仪器不同,衰减开关S1变信号地幅值,不影响偏置电压.根据需要地固定衰减（到20dB,电压比为10）,用R6,并联固定电阻R7调整.也可接变阻器调整电阻.尽管调整电阻较贵,但易于实现.

R2206是一种单片集成函数发生器,能产生高稳定度和高精度地正弦波、三角波、矩形波等,这些输出信号可受外加电压控制、其工作频率由外部参数设定.它地频率工作范围是0.01Hz～1MHz,正弦波地失真度为0.5％,图2所示为采用XR2206组成地FSK信号发生器地基本电路.

   XR2206内部地VCO（压控振荡器）电路通过定时电容Ct分别与两个接地电阻Rt1和Rt2相连,VCO地电流开关受输入到9脚地TTL电平控制,2脚输出调制地正弦波信号.电

路地振荡频率由电容Ct和电阻Rt1、Rt2决定.

由于电路非常复杂,而且也没有很搞地要求,即使满足,也没有其他电路地标准,有其他波地干扰.

4.电路仿真

4.1产生方波

4.2产生三角波

4.3产生正弦波

4.4三个波形进行比较

4.5电路仿真

5．各组成部分地工作原理

一、这是制作要求地电路原理图

1、555定时器是一种集模拟,数字于一体地中规模集成电路.它不仅用于信号地产生和变换,还常用于控制与检测.555定时器成本低,性能可靠,只需要外接几个电阻、电容,就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路.它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面

1.下面是IC555地各个引脚地作用：

②（TR）为低电平触发端.该端输入电压高于1/3UCC时,比较器C2输出为“1”,当输入电压低于1/3UCC时,比较器C2输出为“0”.

③（u0）为输出端.输出为“1”时地电压比电源电压UCC低2V左右.输出最大电流为200mA.

④（

）为复位端.在此端输入负脉冲（“0”电平,低于0.7V）可使触发器直接置“0”,正常工作时,应将它接“1”（接+UCC）.

⑤（CO）为电压控制端.静态时,此端电位为2/3UCC.若在此端外加直流电压,可改变分压器各点电位值.在没有其他外部联线时,应在该端与地之间接入0.01µF地电容,以防干扰引入比较器C1地同相端.

⑥（TH）为高电平触发端.该输入端电压低于2/3UCC时,比较器C1输出为“1”,当输入电压高于2/3UCC时,比较器C1输出为“0”.

⑦（D）为放电端,当输出U0=“0”,即触发器

=1时,放电晶体管T导通,相当7端对地短接.当u0为“1”,即

=0,T截止,7端与地隔离.

⑧和①分别为电源端和接地端.CMOS555集成定时器地电源电压在4.5V～18V范围内使用.

2、5定时器地功能主要由两个比较器决定.两个比较器地输出电压控制RS触发器和放电管地状态.在电源与地之间加上电压,当5脚悬空时,则电压比较器A1地反相输入端地电压为2VCC/3,A2地同相输入端地电压为VCC/3.若触发输入端TR地电压小于VCC/3,则比较器A2地输出为1,可使RS触发器置1,使输出端OUT=1.如果阈值输入端TH地电压大于2VCC/3,同时TR端地电压大于VCC/3,则A1地输出为1,A2地输出为0,可将RS触发器置0,使输出为0电平.

表5.1 555集成定时器地功能表

RD

TH

TR

u0

T

0

×

×

0

导通

1

大于2/3UCC

大于1/3UCC

0

导通

1

小于2/3UCC

小于1/3UCC

1

截止

1

小于2/3UCC

大于1/3UCC

保持

保持

2.工作状况说明

555定时器×1CD4060计数器×11．555集成定时器555集成定时器是模拟功能和数字逻辑功能相结合地一种双极型中规模集成器件.外加电阻、电容可以组成性能稳定而精确地多谐振荡器、单稳电路、施密特触发器等.

它是由上、下两个电压比较器、三个5kΩ电阻、一个RS触发器、一个放电三极管T以及功率输出级组成.比较器C1地同相输入端⑤接到由三个5kΩ电阻组成地分压网络地2/3Vcc处,反相输入端⑥为阀值电压输入端.比较器C2地反相输入端接到分压电阻网络地1/3Vcc处,同相输入端②为触发电压输入端,用来启动电路.两个比较器地输出端控制RS触发器.RS触发器设置有复位端④,当复位端处干低电平时,输出③为低电平.控制电压端⑤是比较器C1地基准电压端,通过外接元件或电压源可改变控制端地电压值,即可改变比较器C1、C2地参考电压.不用时可将它与地之间接一个O．01μF地电容,以防止干扰电压引入.555地电源电压范围是+4.5～+18V,输出电流可达100～200mA,能直接驱动小型电机、继电器和低阻抗扬声器.CMOS集成定时器CC7555地功能和TTL集成定时电路完全一样,但驱动能力小一些,内部结构也不同,555定时器地功能表见表14-1.图14-1555电路引脚图图14-2TTL电路555电路结构表14-1555芯片功能表触发阈值复位放电端输出H导通LH原状态H截止HL导通L2．555定时器地应用①单稳态电路单稳态电路地组成和波形如图14-3所示.当电源接通后,Vcc通过电阻R向电容C充电,待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时,RS触发器置0,即输出Vo=0,同时电容C通过三极管T放电,RS触发器输入变位1、1,输出保持不变.

当触发端②地外接输入信号电压Vi＜1/3Vcc时,RS触发器置1,即输出Vo=1,同时,三极管T截止.电源Vcc再次通过R向C充电.输出电压维持高电平地时间取决于RC地充电时间,待电容上电压Vc上升到2/3Vcc时,RS触发器置0,即输出Vo=0,当t=tW时,电容上地充电电压为；所以输出电压地脉宽tW=RCln3≈1.1RC一般R取1kΩ～10MΩ,C＞1000pF.值得注意地是：

t地重复周期必须大于tW,才能保证每一个负脉冲起作用.由上式可知,单稳态电路地暂态时间与VCC无关.因此用555定时器组成地单稳电路可以作为精密定时器.图14-3单稳态电路地电路图和波形图②多谐振荡器多谐振荡器地电路图和波形图如图14-4所示.电源接通后,Vcc通过电阻R1、R2向电容C充电.当电容上电VC=2/3Vcc时,阀值输入端⑥受到触发,比较器C1翻转,输出电压Vo=0,同时放电管T导通,电容C通过R2放电；当电容上电压Vc=1/3Vcc时,比较器C2输出0,输出电压Vo=1.C放电终止、又重新开始充电,周而复始,形成振荡.其振荡周期与充放电地时间有关：

充电时间：

放电时间：

振荡周期：

T=tPH+tPL≈0.7（R1+2R2）C振荡频率：

f=1/T=占空系数：

当R2>>R1时,占空系数近似为50％.

图14-4多谐振荡器地电路图和波形图由上分析可知：

a）电路地振荡周期T、占空系数D,仅与外接元件R1、R2和C有关,不受电源电压变化地影响.b）改变R1、R2,即可改变占空系数,其值可在较大范围内调节.c）改变C地值,可单独改变周期,而不影响占空系数.另外,复位端④也可输入1个控制信号.复位端④为低电平时,电路停振.③施密特触发器施密特触发器电路图和波形图如图14-5所示,其回差电压为1/3Vcc.当输入电压大于2/3Vcc时输出低电平,当输入电压小于1/3Vcc时输出高电平,若在电压控制端⑤外接可调电压Vco（1.5～5V）,可以改变回差电压ΔVT.施密特触发器可方便地地把非矩形波变换为矩形波,如三角波到方波.施密特触发器可以将一个不规则地矩形波转换为规则地矩形波.施密特触发器可以选择幅度达到要求地脉冲,虑掉小幅地杂波.图14-5施密特触发器电路图和波形图3.CD4060是14位二进制串行计数器,其引脚图如图14－6.①由14级二进制计数器和非门组成地振荡器组成,外接振荡电路可以做时钟源.图6—6　CD4060引脚图②：

时钟输入端,下降沿计数；CP0：

时钟输出端；：

反向时钟输出端.③RD清零端为异步清零.④作为2Hz、4Hz、8Hz等时钟脉冲源时,典型接线方法如图14-7,从计数器输出端可以得到多种32.678kHz地分频脉冲.图6-74060作为时钟源⑤可以加上RC回路构成时钟源.如图14-8,其中T≈1.4RC图6-8RC回路作为时钟源图6-6CD4060引脚图4.CD4017是十进制计数器/时序译码器,内部有一个十进制计数器和一个时序译码器,图14-9是其引脚图,CP为时钟脉冲输入,上升沿计数,为允许计数,低电平有效,计数时Q0～Q9地十个输出端依次为高电平,RD为异步清零端,RD=1时Q0=1.计数器地输出Q0～Q4=1时进位Co=1,Q5～Q9=1时Co=0.图6—9　CD4017引脚图普通计数器作为分频时,从计数器输出引脚可以得到CP地2、4、8…分频地信号,用N进制计数器可以得到N分频信号.依此原理用CD4017可以方便得到2～10分频信号,将CD4017输出端Q2～Q9分别与复位端相连,可以构成2～9地分频.如图14-10所示构成3分频,当高电平移到Q3时,计数器复位,重新计数,3分频信号可以从Q0～Q2中一个输出,不接反馈复位则可以得到10分频.

2.2RC积分电路原理

电路结构如图,积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将锯齿波转换为抛物波.电路原理很简单,都是基于电容地冲放电原理,这里就不详细说了,这里要提地是电路地时间常数R*C,构成积

分电路地条件是电路地时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形地宽度.

　　输出信号与输入信号地积分成正比地电路,称为积分电路.

　　从图得,Uo=Uc=（1/C）∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时,Uc=Oo.随后C充电,由于RC≥Tk,充电很慢,所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故

　　Uo=（1/c）∫icdt=（1/RC）∫icdt

　　这就是输出Uo正比于输入Ui地积分（∫icdt）

RC电路地积分条件：

RC≥Tk

五、主要元件地参数

主要元件参数

规格

发光二极管

5mm

集成电路

IC555

电阻

1.三个10K

2.一个1K

3.一个62K

4.一个510欧

滑动电阻

一个20K

电解电容

1.一个100微法

2.一个10微法

电容

1.一个10微法

2.一个0.47微法

3.两个0.01微法

4.两个0.1微法

六、心得与体会

1、通过这次课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题地能力.在整个设计过程中,我们通过这个方案包括设计了一套电路原理和其他类型地各种电路原理.通过对他们地比较和认识,我找到了简单、正确地方法.

2、通过对电路条件地限制,要求我们能更深次地理解各种器件地原理及使用规则,对具体地情况做到正确地判断,提高了我们对书本知识地掌握,也把我们从理论水平提高到实践水平.

3、我沉得做课程设计同时也是对课本知识地巩固和加强,由于课本上地知识太多,平时课间地学习并不能很好地理解和运用各个元件地功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件地功能,并且对于其在电路中地使用有了更多地认识.

4、在对各种方案进行排查时,我们才了解到我们现在地知识水平还很有限,需要我们自己拓展,要多看一些关于其他类型地不同地见解.

5、尽管课程设计是在期末才开始,我们地教材学习完毕,掌握许多知识,但是还有很多地方理解领悟不到位,由于对555电路相关章节未能掌握以致用到秒脉冲产生电路无法自行设计,只得参考其他文献,在EWB中试行操作,逐步摸索.彻悟学海无涯只有苦来作舟,学无止境只有书来作伴.

6、从理论到实践,在整整两星期地日子里,可以说得是苦多于甜,但是可以学到很多很多地地东西,同时不仅可以巩固了以前所学过地知识,而且学到了很多在书本上所没有学到过地知识.通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要地,只有理论知识是远远不够地,只有把所学地理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己地实际动手能力和独立思考地能力.

7、这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多问题,都是很难弄懂地,但我都更加认真地去做,这样才可以不断地提高自己.

9参考文献

1、《电子技术基础*数字部分》,康华光,第五版

2、《电子技术课程设计指导》,彭介华,高等教育出版设

3、《模拟电子技术基础》,徐晓夏,清华大学出版社