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函数信号发生器

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函数信号发生器大 庆 石 油 学 院 大 庆 石 油 学 院 课 程 设 计 2009年 7 月 3 日 大庆石油学院课程设计任务书 课程 电子技术课程设计 题目 函数信号发生器 专业 测控技术与仪器 姓名 严盼平 学号 070601240220 一、主要内容: 1、电路设计:查阅资料完成函数信号发生器和声控报警器的设计任务。信号发生器要求输出方波、正弦波、三角波,电路供电电源为 。 2、电路焊接练习:本次课程设计需要完成两个电路焊接任务,电路一,占空比可调的波形发生器;电路二,收音机电路焊接与安装。 二、基本要求: 函数信号发生器设计要求...
函数信号发生器
大 庆 石 油 学 院 大 庆 石 油 学 院 课 程 设 计 2009年 7 月 3 日 大庆石油学院课程设计任务 课程 电子技术课程设计 题目 函数信号发生器 专业 测控技术与仪器 姓名 严盼平 学号 070601240220 一、主要内容: 1、电路设计:查阅资料完成函数信号发生器和声控报警器的设计任务。信号发生器要求输出方波、正弦波、三角波,电路供电电源为 。 2、电路焊接练习:本次课程设计需要完成两个电路焊接任务,电路一,占空比可调的波形发生器;电路二,收音机电路焊接与安装。 二、基本要求: 函数信号发生器设计要求: 1、输出频率在1K~10KHZ范围内连续可调; 2、方波输出电压峰—峰值为12V,占空比可调范围30%~70%,三角波输出电压峰—峰值为8V(误差<20%),正弦波电压峰—峰值 ,无明显失真; 3、画出设计电路的电路图、写明电路工作原理、无源元器件计算数值,有源元件给出芯片引脚图,表明管脚。 声控报警器设计要求: 1、当传感器到声音信号时,电路发声发光,产生警报信号; 2、画出设计电路的电路图、写明电路工作原理,有源元件给出芯片引脚图,表明管脚。 三、主要参考资料: [1] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001. [2] 冯民昌.模拟集成电路系统[M].中国铁道出版社,1998. [3] 赵保经.中国集成电路大全[M].国防工业出版社,1985. [4] 王文秀.电子元器件[M].人民邮电出版社,1985. 完成期限 2009.6.29—2009.7.10 指导教师 曹广华(教授) 邹彦艳(讲师) 专业负责人 曹广华(教授) 2009年 6月 20日 目 录 TOC \o "1-4" \h \z \u 1、函数信号发生器设计 1 1.1、设计要求 1 1.2、设计 1 2、声控报警器电路设计 7 2.1、设计要求 7 2.2、设计方案 7 2.3、器件及参数选取 9 3、电路焊接练习 9 3.1、占空比和频率独立可调的脉冲发生器 9 3.2、收音机 10 4、总结 11 参考文献 12 1、函数信号发生器设计 1.1、设计要求 函数信号发生器设计要求: 1、输出频率在1K~10KHZ范围内连续可调; 2、方波输出电压峰—峰值为12V,占空比可调范围30%~70%,三角波输出电压峰—峰值为8V(误差<20%),正弦波电压峰—峰值 ,无明显失真; 3、画出设计电路的电路图、写明电路工作原理、无源元器件计算数值,有源元件给出芯片引脚图,表明管脚。 1.2、设计方案 一、设计思路 方案一设计思路: 先由RC桥式振荡电路产生正弦波,再通过施密特触发器变换为方波,又经积分电路转换为三角波或锯齿波。 方案二设计思路: 根据课题要求,可将函数发生器分为三部分来实现。 (1)有两个电压比较器和一个触发器产生方波和三角波; (2)由三角波经过三角波变正弦波电路产生正弦波; (3)外围电路对产生的波形进行调整。 上述功能可由ICL8038集成电路板实现。 二、总体方案框图 方案一: 图1 基本原理框图 方案二: 图2 基本原理框图 三、基本原理 方案一基本原理: 图1中,第一部分单元电路为RC文氏电桥正弦波振荡电路。其输出的正弦波经过第二部分单元电路施密特触发器变换为方波输出。第三部分单元电路为积分器,它将方波积分变换为三角波和锯齿波输出。 函数信号发生器参考电路如附录图一所示。在RC文氏电桥正弦波振荡器中,振荡频率 ,闭环电压放大倍数 ≥3。 二极管D1,D2的作用是,当Vo1幅值较小,D1,D2开路,等效电阻Rf较大,Avf大于3,有利于起振;反之,当Vo1幅值较的时,D1,D2导通,Avf随之下降,Avf=3,有利于稳幅。Vo1输出为正弦波。 在施密特触发器电路中,A2为反相输入,Vp2为其翻转电压。    当输入等于Vp2时,Vo2输出为方波。 运算放大电路A3及其外围元件组成有源积分器。当调整电位器Rp3的滑动端使两部分的电阻相等时,输出Vo为三角波,当Rp3的滑动端使两部分的电阻不相等时,输出Vo为锯齿波。总电路图如下: 图3 方案一设计电路图 方案二基本原理: 基本原理框图如图2所示。 当给函数发生器ICL8038合闸通电时,电容C的电压为0V,根据电压比较器的电压传输特性,电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平;因而RS触发器的输出Q为低电平;使开关S断开,电流源IS1对电容充电,充电电流为 IS1=I。因充电电流是恒流,所以,电容上电压uC随时间的增长而线性上升。当上升为VCC/3时,电压比较器Ⅱ输出为高电平,此时RS触发器的R端从低电平跃变为高电平,但其输出不变。一直到上升到2VCC/3时,使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平,Q才变为高电平,导致开关S闭合,电容C开始放电,放电电流为IS2-IS1=I,因放电电流是恒流,所以,电容上电压uC随时间的增长而线性下降。起初,uC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平,但其输出不变。一直到uC下降到VCC/3时,使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平,Q才变为低电位,使得开关S断开,电容C又开始充电,重复上述过程,周而复始,电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等,因而电容上电压为三角波,Q为方波,经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。 当外接电容C可由两个恒流源充电和放电时,电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压(指+Vcc)的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节,但必须I2>I1。当触发器的输出为低电平时,恒流源I2断开,恒流源I1给C充电,它的两端电压UC随时间线性上升,当达到电源电压的确2/3时,电压比较器I的输出电压发生跳变,使触发器输出由低电平变为高电平,恒流源I2接通,由于I2>I1(设 I2=2I1),I2将加到C上进行反充电,相当于C由一个净电流I放电,C两端的电压UC又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时,电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变,使触发器输出为方波,经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压UC,上升与下降时间相等(呈三角形),经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络(正弦波变换器)而得以实现,在这个非线性网络中,当三角波的两端变为平滑的正弦波,从2脚输出。 其中K1为输出信号选择开关,电位器W1为输出频率细调电位器,电位器W2调节方波占空比,电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。在RA和RB不变的情况下,调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。 设计总电路图如下: 图4 方案二设计电路图 四、单元电路设计及元器件选择 RC桥式正弦波振荡电路: 由RC串并联选频网络特性,只要为之匹配一个电压放大倍数等于3的放大电路就可以构成正弦波振荡电路,如下图5所示,考虑到放大电路得电压放大倍数应略大于3。 由RC串并联选频网络和同相比例运算电路所构成的RC桥式正弦波振荡电路如下图5所示。 图5 RC桥式正弦波振荡电路 图6利用二极管作为非线性环节 应当指出,由于Uo与Uf具有良好的线性关系,所以为了稳定输出电压的幅值,一般应在电路中加入非线性环节。如上图6中示。 矩形波发生电路: 因为波形发生电压只有两个状态,不是高电平就是低电平。所以电压比较器是它的重要组成部分。因为产生振荡,就是要求输出的两个状态自动地相互转换,所以电路中必须引入负反馈。通过RC充放电实现输出状态的自动转换。下图7为占空比可调的矩形波发生电路。 图7 占空比可调的矩形波发生电路 图8电压传输特性 图中滞回比较器的输出电压uo=±Uz,阈值电压 因而电压传输特性如上图8所示。 由于上图7中电路中电容正相充电与反向充电常数为RC,因而可实现占空比可调。 三角波发生电路: 在下图一中,三角波发生电路中,虚线左边为同相滞回比较器,右边为积分运算电路。积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压uo1,而且uo1不是+Uz就是-Uz,所以输出电压的表达式为 式中uo(to)为初态时的输出电压。 可知,uo为三角波,幅值为±UT,uo1是方波,幅值为±Uz,如下图二所示。 图9 三角波发生电路 图10 滞回比较器的电压传输特性 方案一中元器件选择: 正弦波发生电路频率调节由可调电阻实现,由式fo=1/(2πRC)得,当C1取0.1uF时,由频率要求1khz-10khz得Rmax=10KΩ,Rmin=1 KΩ,则可选一值为10KΩ的可变电阻器。关于方波占空比的调节由Rp3可变电阻器调节,原理计算得Rp2=4.7kΩ, Rp3=2 kΩ。稳压管的稳压值由方波幅值范围定,即12V。其它各参数值选取由上述原理可得。 方案二中元器件选择: 电阻20KΩ与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8,通常取V8≥2/3Vcc。V8越高,Ia、Ib越小,输出频率越低,反之亦然。RW2可调节的频率范围为20HZ20~KHZ。Vcc采用双对电源供电时,输出波形的直流电平为零,采用单对电源供电时,输出波形的直流电平为Vcc/2。两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路,调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变(均取4.7KΩ)的情况下,调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。 改变RW1阻值来调节频率与占空比,根据要求占空比可调范围为30%-70%;由占空比推导 和R1=R2得 Rw1=2R1/5或Rw1=2R1/3,又占空比在30%-70%之间故取Rw1=2R1/3,有联系实际中的电阻取值,取Rw1=2KΩ。这可实现占空比在33.75%-71.27%之间连续调节。 实际线路分析可在输出增加一块LF35双运放,作为波形放大与阻抗变换,根据所选择的电路元器件值,本电路的输出频率范围约10HZ~20KHZ;幅度调节范围:正弦波为0~12V,三角波为0~20V,方波为0~24V。Rw选用470 ~5.1k 的普通电位器。插头采用的是220V交流电路常用的普通二极插头。 ICL8038管脚功能: 1,12 SINADJ1,SINADJ2 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压,SINADJ2接电阻REXT到V-,用以改善正弦波波形和减小失真。 2 SINOUT 正弦波输出 3 TRIOUT 三角波输出 4,5 DFADJ1,DFADJ2 输出信号重复频率和占空比(或波形不对称度)调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+,DFADJ2端接RB到V+,改变阻值可调节频率和占空比。 6 V+ 正电源 7 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压 8 FMIN 调频电压输入端 9 SQOUT 方波输出 10 C 外接电容到V-端,用以调节输出信号的频率与占空比 11 V- 负电源端或地 13,14 NC 空脚 图11 ICL8038的管脚图 2、声控报警器电路设计 2.1、设计要求 声控报警器设计要求: 1、当传感器检测到声音信号时,电路发声发光,产生警报信号; 2、画出设计电路的电路图、写明电路工作原理,有源元件给出芯片引脚图,表明管脚。 2.2、设计方案 一、设计思路 先由声音传感器将声音信号转变为电信号,电信号经过预处理,再经过信号的运算、转换、比较等加工,最后经过功率放大驱动喇叭报警。 二、总体方案框图 图1 基本原理框图 三、基本原理 图2 声控报警器原理图 声控报警器的电路原理图如图2示。场效应晶体管VF组成一级电压放大器,通过可调电阻RP调节场效应晶体管放大器的栅极偏压来调节。 电压放大器的增益。由于场效应晶体管放大器具有很高的电压增益,因此用一级放大器就可满足电路的要求。压电陶瓷声传感器被声波激发后输出脉冲电信号,并经过VF放大后由漏极D输出,通过祸合电容器C1去触发单稳态触发器。 由555时基集成电路IC1与R4、C3组成的单稳态触发器,受低电平或脉冲下降沿的触发而翻转。平时,IC1的3脚输出低电平。当压电陶瓷声传感器受到触发后输出脉冲信号并经VF放大后由漏极D输出时,输出脉冲的下降沿将单稳态电路触发并使其翻转,3脚输出高电平。IC1翻转后,电路进人暂稳态,电源通过R4向C2充电,充电时间约2min。2min后,C3充电电压升高到6脚的阑值电平,触发器自动翻转,3脚恢复低电平,电路进人稳态。 报警声发生电路是一个由555时基集成电路IC2组成的多谐振荡器,受总复位端4脚的控制而工作。平时,由于 IC1的3脚输出低电平,振荡器不工作;当IC1的3脚输出高电平时,振荡器开始工作,发出报警声。多谐振荡器的振荡频率由R5, R6与C4的数值决定,本电路约为4.8kHz。调整R5、R6及C4的数值,可得到所需要的振荡频率和报警声。 2.3、器件及参数选取 IC1、IC2可选用NE555或LM555时基集成电路或用一只556时基集成电路来代替两只555时基集成电路。 场效应晶体管选用VT66或V40AT场效应晶体管;压电陶瓷声传感器B选用Φ27mm的压电陶瓷片,如F1'-27、HTD27A-1等型号,BL可选用YD57-2型8Ω、0.25W小型动圈式扬声器。 其他元器件无特殊要求,可按图所标明的型号及参数选用 3、电路焊接练习 3.1、占空比和频率独立可调的脉冲发生器 一、电路图 图1脉冲发生器电路图 二、基本原理 基本原理与函数信号发生器的设计中类似,图中滑动变阻器Rw1可调节矩形波的占空比,Rw2可调节信号频率。 三、焊接情况及总结 经过对电阻引脚焊接的练习,顺利地完成了设计电路的焊接,并调试出正确波形。 在焊接过程中也遇到了许多由于不熟练带来的问题,经过指导老师的指导问题大多数得到解决。 这次焊接练习让我明白在电子电路设计完成后,要得到一个理想的作品还有很多路要走。 3.2、收音机 一、电路图(可将发的电路图复印放里面) 二、基本原理 天线(磁性天线)接收无线电广播信号(多种信号) 波段选择 调谐(选取一种信号)  高频放大 混频(本振与信号) 差频信号(中频) 放大(中放) 检波   音频 低频放大 功率放大 扬声器(耳机) 放出音频信号(声音) 图2收音机原理图示 三、焊接情况及总结 上节焊接函数发生器的练习给这节课的焊接带来了很大帮助,焊接工作趋于成熟,顺利焊接好复杂而紧密的电路,焊接效果令人满意。但在调试过程中,收音机的喇叭始终不响,并发现三极管发热。猜测是电路短路,但经过我和同组人的细心检查并未发现焊接处有短路,因为焊接效果是令人满意的。继而猜测是电路中元器件极性接反,经过反复检查仍未查出错误。最后猜测是三极管被烧坏,我们更换了新三极管后喇叭还是不响。经过与别的组同学的交流,发现他们都出现了一样的问题。最后我总结了一种我认为最为有可能的原因,那就是在焊接过程当中由于焊接工艺的不熟练导致在焊接二极管和三极管时局部温度过高使部分元器件烧坏。当然还是有调试成功的小组,只可惜只有一组。 经过收音机的焊接和调试练习,让我明白焊接是一种艺术,不仅要考虑焊点的焊接效果,还得考虑电路元器件的物理特性(温度等)。 4、总结 本次课程设计要求设计函数发生器及声控报警器。应用所学的知识及在图书馆搜集的资料,对题目所要求的电路进行了设计。通过本篇论文的设计,使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解,掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单,调试方便,功能完备。可输出正弦波、方波、三角波,输出波形稳定清晰,信号质量好,精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。 通过对函数信号发生器的设计,我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对课程的设计,我不但知道了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手能力。 我们还经过了一周的电路板焊接实习,在焊接脉冲信号发生器和半导体收音机的过程中,使我的动手能力有所加强,对半导体性能及特征有了更深的了解。尤其是在半导体收音机的焊接过程中感受颇多,按照电路要求我正确的选择了元器件并正确完美的焊接完成电路,但与预期的效果相差甚远。让我再一次体会到理论与实际的差距。当然此差距的表现来源于我对理论知识的理解漏洞,书到用时方恨少,在认真透彻的理解好理论后经过实践进行知识巩固,我想这应该是我此次实习的最大收获。 参考文献 [1]刘国钧,陈绍业,王凤翥.图书馆目录[M].北京:高等教育出版社,1957.15-18. [2] 刘润华,刘立山.模拟电子技术[J].自动化,2003. [3] 童诗白,华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社,2001.401-453. [4] 冯民昌.模拟集成电路系统[M].中国铁道出版社,1998. [5] 赵保经.中国集成电路大全[M].国防工业出版社,1985. [6] 王文秀.电子元器件[M].人民邮电出版社,1985. 大庆石油学院课程设计成绩评价表 课程名称 电子技术课程设计 题目名称 函数信号发生器 学生姓名 严盼平 学号 070601240220 指导教 师姓名 曹广华 邹彦艳 职称 曹广华(教授) 邹彦艳(讲师) 序号 评价项目 指 标 满分 评分 1 工作量、工作态度和出勤率 按期圆满的完成了规定的任务,难易程度和工作量符合教学要求,工作努力,遵守纪律,出勤率高,工作作风严谨,善于与他人合作。 20 2 课程设计质量 课程设计选题合理,计算过程简练准确,分析问题思路清晰,结构严谨,文理通顺,撰写规范,图表完备正确。 45 3 创新 工作中有创新意识,对前人工作有一些改进或有一定应用价值。 5 4 答辩 能正确回答指导教师所提出的问题。 30 总分 评语: 指导教师:曹广华(教授) 邹彦艳(讲师) 2009 年 7 月 3日
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