1、課程設計報告多種波形發生器專業電子信息工程學生姓名 班級b電子062學號指導教師完成日期2008年10月25日 摘 要：正弦波和非正弦波發生電路常作為信號源被廣泛地應用于無線電通信以及自動測量和自動控制等系統中。通常把既能產生正弦波又能產生三角波、方波、鋸齒波等非正弦輸出信號的電路叫作函數信號發生器。在電子技術應用領域，要求信號源的溫度、頻率的穩定性都比較高。介紹的5g8038是一種性能穩定、精度較高的集成芯片。介紹了用5g8038設計多功能函數信號發生器的方法。 關鍵字：5g8038；直流穩壓電源；頻率選擇控制1、 目錄：一課程目的二設計任務與要求 三. 總體方案設計四. 電路設計原理與參考

2、電路 4.1總體電路框圖4.2設計思路五單元電路的設計說明5.1方波發生電路的工作原理5.2 方波-三角波轉換電路的工作原理5.3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理 六總體電路6.1總電路圖6.2元器件的選擇和電路參數計算的說明七. 具體過程7.1 函數發生器5g8038的指標和應用7.2 直流穩壓電源7.3 頻率控制八設計小結 九參考文獻1、 課程目的1. 培養學生查閱資料的能力2. 培養學生綜合運用所學知識的能力3. 培養學生綜合設計和實踐能力4. 培養學生團隊精神5. 培養學生市場素質6. 培養學生撰寫課程設計總結報告的能力二設計任務和要求波形的產生及變換電路是應用極為廣泛的電子電路，現

3、設計并制作能產生方波、三角波及正弦波等多種波形信號輸出的波形發生器。要求：1.輸出的各種波形工作頻率范圍0.02hz20khz連續可調；2.正弦波幅值+10v，失真度小于1.5%3.方波幅值+10v4.三角波波峰-峰值20v;各種輸出波形幅值均連續可調；5.設計電路所需的直流電源。6.完成整體電路設計及論證7.完成課程設計說明書三總體方案設計波形產生電路通常可采用多種不同電路形式和元器件獲得所要求的波形信號輸出。波形產生的關鍵部分是振蕩器，而設計振蕩器電路的關鍵是選擇有源器件，確定振蕩器電路的形式以及確定元件參數值等。具體設計可參考以下思路。 1.用正弦波振蕩器產生正弦波輸出，正弦波信號通過變

4、換電路得出方波輸出（例如用施密特觸發器），用積分電路將方波變換成三角波或鋸齒波輸出； 2.利用多諧振蕩器產生方波信號輸出，用積分電路將方波變換成三角波輸出，用折線近似法將三角波變換成正弦波輸出； 3用多諧振蕩器產生方波輸出，方波經濾波電路可得正弦波輸出，方波經積分電路可得三角波輸出； 4.利用單片函數發生器5g8083、集成振蕩器e1648及集成定時器555/556等可靈活地組成各種波形產生電路。四原理框圖3.1 總體電路框圖3.2設計思路波形產生電路的關鍵部分是振蕩器，而設計振蕩器電路的關鍵是選擇有源器件，確定振蕩器電路的形式以及確定元件參數值等。一般思路如下：（1）用正弦波振蕩器產生正弦波

5、輸出，正弦波信號通過變換電路得方波輸出，用積分電路將方波變成三角波輸出；（2）利用多諧振蕩器產生方波信號輸出，用積分電路將方波變換成三角波輸出，用折線近似法將三角波變換成正弦波輸出；（3）用多諧振蕩器產生方波輸出，方波經濾波電路可得正弦波輸出，方波經積分電路可得三角波輸出；（4）利用單片函數發生器5g8038、集成振蕩器e1648及集成定時器555等可靈活地組成各種波形產生電路。五單元電路的設計說明5.1方波發生電路的工作原理（1）方波發生電路 實驗電路如圖所示，雙向穩壓管穩壓值一般為56v。方波發生電路(1)按電路圖接線，觀察vc、v0 波形及頻率，與預習比較。(2)分別測出r= l0k，1

6、10k時的頻率，輸出幅值，與預習比較。(3)要想獲得更低的頻率應如何選擇電路參數?試利用實驗箱上給出的元器件進行條件實驗并觀測之。方波發生電路的工作原理 此電路由反相輸入的滯回比較器和rc電路組成。rc回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過rc充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓uo=+uz,則同相輸入端電位up=+ut。uo通過r3對電容c正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，un趨于+uz；但是，一旦un=+ut,再稍增大，uo從+uz躍變為-uz,與此同時up從+ut躍變為-ut。隨后，uo又通過r3對電容c反向充電，如圖

7、中虛線箭頭所示。un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，un趨于-uz；但是，一旦un=-ut,再減小，uo就從-uz躍變為+uz，up從-ut躍變為+ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。（2）方波-三角波轉換電路的工作原理方波三角波產生電路 工作原理如下：若a點斷開，運算發大器a1與r1、r2及r3、rp1組成電壓比較器，c1為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即u-=0，同相輸入端接輸入電壓uia，r1稱為平衡電阻。比較器的輸出uo1的高電平等于正電源電壓+vcc，低電平等于負電源電壓-vee（|+vcc|=|-vee|）, 當比較器的u

8、+=u-=0時，比較器翻轉，輸出uo1從高電平跳到低電平-vee,或者從低電平vee跳到高電平vcc。設uo1=+vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位uia-為 若uo1=-vee,則比較器翻轉的上門限電位uia+為 比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點斷開后，運放a2與r4、rp2、c2及r5組成反相積分器，其輸入信號為方波uo1，則積分器的輸出uo2為時，時，可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三

9、角波的頻率f為由以上兩式可以得到以下結論：1. 電位器rp2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用c2改變頻率的范圍，pr2實現頻率微調。2. 方波的輸出幅度應等于電源電壓+vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+vcc。電位器rp1可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。（3）三角波發生電路三角波發生電路電路組成：如圖所示。其虛線左邊為同相輸入滯回比較器，右邊為積分運算電路。 波形振蕩頻率： 改變振蕩頻率：調節電路中r1、r2、r3的阻值和c的容量。改變幅值：調節r1和r2的阻值。5.3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理三角波正弦波的變換

10、電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，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。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，ut26mv。如果uid為三角波，設表達式為式中um三角波的幅度； t三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；（2） 三角波的幅度um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。（3） 圖為實現三角波正弦波變換的電路。其中rp1調節三

11、角波的幅度，rp2調整電路的對稱性，其并聯電阻re2用來減小差分放大器的線性區。電容c1,c2,c3為隔直電容，c4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。 三角波正弦波變換電路六總體電路6.1總電路圖 6.2元器件的選擇和電路參數計算的說明電路的參數選擇及計算1.方波-三角波中電容c1變化（關鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將c2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當c2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現。2.三角波-正弦波部分比較器a1與積分器a2的元件計算如下。由式（3-61）得即取 ，則，取 ，rp

12、1為47k的點位器。區平衡電阻由式（3-62）即當時，取，則，取，為100k電位器。當時 ，取以實現頻率波段的轉換，r4及rp2的取值不變。取平衡電阻。三角波正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容c3、c4、c5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。re2=100歐與rp4=100歐姆相并聯，以減小差分放大器的線性區。差分放大器的幾靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整rp4及電阻r*確定。七. 具體過程7.1 函數發生器5g8038的指標和應用5g8038性能特點如下： （1）輸出各類波形頻率漂移小于501

13、0-6hz/； （2）通過調節外接阻容元件值，很容易改變振蕩頻率，使工作頻率在0.001hz-300khz范圍內可調節。 （3）輸出波形失真小； （4）三角波輸出線性度可優于0.1%。 （5）矩形脈沖輸出占空比調節范圍可達1-99%，可獲得窄脈沖、方波、寬脈沖輸出； （6）輸出脈沖（或方波）電平可從4.2-28v； （7）外圍電路簡單（外接元件較少），引出線比較靈活、適用性強。 5g8038是上海元件五廠生產，而國外生產同類產品icl8038性能特點要優于以互換使用。5g8038引腳排列如圖1所示。 集成電路5g8038管腳說明： 1：正弦波失真調節端； 2：正弦波輸出端； 3：三角波/鋸齒波

14、輸出端； 4：恒流源調節（4腳和5腳外接電阻，以實現占空比的調節）； 5：恒流源調節（外接電阻端）； 6：正電源； 7：基準源輸出； 8：調頻控制輸入端； 9：方波/矩形波輸出端（集電極開路輸出）； 10：外接電容c； 11：負電源或接地端； 12：正弦波失真調節； 13：空置端； 14：空置端。5g8038的典型應用-構成多功能信號發生器：（1）5g8038多功能函數發生器的內部結構2和工作原理如圖2所示。 由5g8038構成的函數發生器原理框圖可知：他由1個恒流充放電振蕩電路和1個正弦波變換器組成，恒流充放電振蕩電路產生方波和三角波，三角波經正弦波變換器輸出正弦波。圖中2個比較器c1，c2

15、組成1個參考電壓分別設置在2/3vcc和1/3vcc上的窗口比較強。2個比較器的輸出分別控制rs觸發器的置位端和復位端。2個恒流源i1，i2擔任對定時電容c的充放電，而充電和放電的轉換則為rs觸發器的輸出通過電子開關s的通或斷來進行控制。當電子開關s斷開時，電路對外接電容c充電，當電子開關s接通時，電容c放電，所以，若電路參數設計恰當，可在電容c上產生良好的三角波，經緩沖器由3腳輸出。為了得到在比較寬的頻率范圍內三角波到正弦波的轉換，可用1個由電阻和晶體管組成的折線近似轉換網絡將三角波轉換為正弦波，由2腳輸出。而用于控制開關s的信號，即rs觸發器的輸出，就是方波，經緩沖器由9腳輸出。由5g80

16、38構成的多功能信號發生器如圖3所示。為了提高信號源的帶負載能力，可使三角波、正弦波信號經由lm318高速運算放大器放大后輸出。 通過調節電位器rp1的位置，既可調節函數發生器的輸出振蕩頻率的大小，又可用來調節輸出矩形脈沖波的占空比。 調節電位器rp2，可調節輸出正弦波信號失真度。 調節rp3，rp4，可調節信號輸出幅度。 圖中3個電位器rp1，rp2，rp3采用精密多圈電位器。為了使振蕩信號獲得最佳的特性，流過5g8038集成電路4腳和5腳的電流不能過大或過小。若電流過大，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。流過5g8038集成電路4腳和5腳的最佳

17、電流為1a-1ma。為此 電阻r滿足r=vcc/1012直流穩壓電源 1、特性指標 （1）輸出電壓范圍 符合直流穩壓電源工作條件情況下，能夠正常工作的輸出電壓范圍。該指標的上限是由最大輸入電壓和最小輸入輸出電壓差所規定，而其下限由直流穩壓電源內部的基準電壓值決定。 （2）最大輸入輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩壓電源正常工作條件下，所允許的最大輸入輸出之間的電壓差值，其值主要取決于直流穩壓電源內部調整晶體管的耐壓指標。 （3）最小輸入輸出電壓差 該指標表征在保證直流穩壓電源正常工作條件下，所需的最小輸入輸出之間的電壓差值。 （4）輸出負載電流范圍 輸出負載電流范圍又稱為輸出電流范圍，在這一電

18、流范圍內，直流穩壓電源應能保證符合指標規范所給出的指標。 質量指標： （1）電壓調整率sv 電壓調整率是表征直流穩壓電源穩壓性能的優劣的重要指標，又稱為穩壓系數或穩定系數，它表征當輸入電壓vi變化時直流穩壓電源輸出電壓vo穩定的程度，通常以單位輸出電壓下的輸入和輸出電壓的相對變化的百分比表示。電壓調整率公式見圖221。（2）電流調整率si 電流調整率是反映直流穩壓電源負載能力的一項主要自指標，又稱為電流穩定系數。它表征當輸入電壓不變時，直流穩壓電源對由于負載電流（輸出電流）變化而引起的輸出電壓的波動的抑制能力，在規定的負載電流變化的條件下，通常以單位輸出電壓下的輸出電壓變化值的百分比來表示直流

19、穩壓電源的電流調整率。電流調整率公式見圖222。（3）紋波抑制比sr 紋波抑制比反映了直流穩壓電源對輸入端引入的市電電壓的抑制能力，當直流穩壓電源輸入和輸出條件保持不變時，紋波抑制比常以輸入紋波電壓峰峰值與輸出紋波電壓峰峰值之比表示，一般用分貝數表示，但是有時也可以用百分數表示，或直接用兩者的比值表示。 （4）溫度穩定性k 集成直流穩壓電源的溫度穩定性是以在所規定的直流穩壓電源工作溫度ti最大變化范圍內（tmintitmax）直流穩壓電源輸出電壓的相對變化的百分比值。溫度穩定性公式見圖223。極限指標： （1）最大輸入電壓 是保證直流穩壓電源安全工作的最大輸入電壓。 （2）最大輸出電流 是保證

20、穩壓器安全工作所允許的最大輸出電流。 硅穩壓管并聯穩壓電源： 1、電路原理分析 圖311是硅穩壓管穩壓電源。其中d1是穩壓二極管，r1是限流電阻，r2是負載。由于d1與r2是并聯，所以稱并聯穩壓電路。此電路必須接在整流濾波電路之后，上端為正下端為負。由于穩壓管d1反向導通時兩端的電壓總保持固定值，所以在一定條件下r2兩端的電壓值也能夠保持穩定。下面我們來分析一下具體工作原理： 假設設輸入電壓為ui，當某種原因導致ui升高時，ud1相應升高，有穩壓管的特性可知ud1上升很小都會造成id1急劇增大，這樣流過r1上的ir1電流也增大，r1兩端的電壓ur1會上升，r1就分擔了極大一部分ui升高的值，u

21、d1就可以保持穩定，達到負載上電壓ur2 保持穩定的目的。這個過程可用下面的變化關系圖表示： uiud1id1ir1ur1ud1 相反的，如果ui下降時，可用下面的變化關系圖表示： uiud1id1ir1ur1ud1 通過前面的分析可以看出，硅穩壓管穩壓電路中，d1負責控制電路的總電流，r1負責控制電路的輸出電壓，整個穩壓過程由d1和r1共同作用完成。 元件選擇： 下面我們來看看已知負載電壓ur1和負載電流ir1時如何設計硅穩壓管 穩壓 電源。 （1）初選穩壓管d1 一般情況下，可以按照ud1ur2和id1（ir2）max來初步選定穩壓管d1，如果負載有可能開路則應選擇（id1）max（23）

22、（ir2）max，這是因為當負載時所有電流全部都會流過d1，所以id1應該適當選擇大一點。 （2）選定輸入電壓 一般可選擇ui（23）ur2 （3）選定限流電阻r1 r1（uiur2）/（id1ir2） 但是需要考慮兩種極限情況： 當ui最大，且負載開路時（即ir20），流過d1的電流最大。為了不超過d1的最大允許電流（id1）max，需要有足夠大的電流電阻，否則會燒壞d1。則r1需要滿足： r1（ui）maxur2）/ id1）max 當ui最小，且負載電流最大時，流過d1的電流最小。為了保證此時d1能夠工作在擊穿區起到穩壓的作用，要有一定的電流流過d1，一般取5ma10ma。則r1需要滿足： r1（ui）minur2）/（id1（ir2）max） 限流電阻r1的值應該在上面兩個公式的范圍內選擇。 （4）檢查電路穩定度 電路穩定度需要根據實際電路的要求來確定，如果穩定度不夠，可以適當增加r1和ui，還可以選擇動態電阻r比較小的穩壓管。3頻率控制1.鑒頻器(比較器) fo(vco輸出) fs(標準頻率) fo= fs ：比較器無輸出 fo fs ：有正比于 fo-fs的輸出,經lpf輸出vc去控制vco，當|fo- fs|減少到f時,自動微調過程停止,輸出頻率穩定在fsf 2.lpf 按系統要求，從鑒頻器輸出的誤差信號中濾出控