电子设计大赛设计报告函数信号发生器设计.doc

设计报告题目：函数信号发生器设计作者： 指导老师： 摘要：该函数信号发生器由波形产生、频率幅度调节和信号放大等电路组成。由ICL8038C自身内部的自激振荡器产生方波和三角波信号，再将三角波变换为正弦波。A741作为跟随器电路具有的高输入阻抗低输出阻抗的特点，进行缓冲、隔离，将前后电路较好的联系起来。TDA2030A对信号进行放大，提高负载能力。频率由换档开关和微调开关实现100Hz1KHz连续可调，幅度由缓当开关和微调开关实现05V连续可调，扩大了频率和幅度的范围。经过调试，较好地实现了要求的各项要求。关键词：ICL8038C A741跟随器 TDA2030A Function signal generatorsAbstract: This function signal generating device has, frequency electric circuits and so on amplitude adjustment and signal enlargement by the profile is composed.Has the square-wave and the triangular wave signal by the ICL8038C own internal self-excited oscillator, again the triangular wave transformation is the sine wave.A741 high input impedance low output impedance characteristic which has as the follower electric circuit, carries on the cushion, the isolation, around electric circuit good relation. TDA2030A carries on the enlargement to the signal, sharpens the load capacity.The frequency by shifts gears the switch and the trimming switch realizes 100Hz1KHz continuously adjustable, scope by slow when the switch and the trimming switch realizes 05V continuously adjustable, expanded the frequency and the scope scope.After the debugging, has realized request each request well.目 录1、系统设计 4 1.1 设计要求4 1.1.1 任务4 1.1.2 要求4 1.1.3 说明4 1.2 总体设计方案4 1.2.1 设计思路4 1.2.2 方案论证与比较4 1.2.3 系统组成52、单元硬件电路设计 5 2.1 信号产生部分的设计6 2.2 波形调节的设计8 2.2.1 幅度调节8 2.2.2 频率调节8 2.2.3 波形切换的设计9 2.3 隔离缓冲设计9 2.4 放大电路的设计9 2.5 输出和保护电路的设计93、 系统测试9 3.1 测量电源直流电压9 3.2 调整波形10 3.3 调试幅度衰减10 3.4 验证短路保护功能104、 结论11附录1 主要元器件清单12附录2 参考文献 13附录3 原理图141.系统设计1.1设计要求1.1.1任务设计并制作一台函数信号发生器1.1.2要求(1) 基本要求a.能产生方波、正弦波、锯齿波、三角波等多种形；b.波形无明显失真；c.频率范围：10Hz10kHz；d.幅度范围：0-5v。(2)发挥部分能设置信号的频率、幅度，扩大信号的频率和幅度的范围。1.2总体设计方案：1.2.1 设计思路该信号发生器分为波形产生和波形输出，中间通过各级元器件对频率和幅度进行调节，再经放大最后通过输出电路输出。其电路波形产生幅度调节 频率调节波形调节放大输出图1.2.1 波形发生的框图1.2.2 方案论证与比较方案一 以单片机为核心。实现框图如图1.2.1所示：RAM数模转换低通滤波地址计数器时钟单片机波形数据波形输出 图1.2.1单片机核心组成框图其原理是建立在不同的相位给出不同的电压幅度的基础上，在一个周期内给出按一定电压幅度变化规律组成的波形。方案二 以ICL8038C为核心。其原理是IC内部的自振荡器产生方波和三角波，波形变换电路把三角波转换成正弦波。方案三 以 FPGA为控制器件，控制DDS芯片产生信号，但是价格比较昂贵。方案选择 本系统可采用单片机和ICL8038C，DDS三种方案。比较三种方案，在实现同样的基本功能，还有发挥部分的情况下，ICL8038C具有性能价格比高，使用简单等优点。所以本设计采用ICL8038C方案。1.2.3 系统组成 信号发生器分为波形产生和输出，通过方案分析，系统组成的框图如图1.2.3所示。其中由ICL8038C产生正弦波、方波和三角波。波的幅度由幅度电位器及幅度控制换档开关进行调节，频率的调节由频率调节电位器及三个不同容量的电容切换来实现。由A741对信号进行缓冲、隔离。信号的放大是通过TDA2030A来实现。最后由T形电阻网络实现对电路的保护和信号输出。调频电位器ICL8038C波形产生调频电容幅度调节调幅电位器A741缓冲隔离幅度控制换挡开关TDA2030A 放大T形电阻网络输出图1.2.3 信号发生器的电路框图2.单元硬件电路设计2.1信号产生部分的设计ICL8038 是一块单片多种信号波形发生器IC，它内部的自振荡器产生方波和三角波，波形变换电路把三角波转换成正弦波，是一种性能价格比很高的多功能波形发生器IC，图1.2.2是该集成电路的引脚图：1 142 133 124 115 106 97 8ICL8038C空空正弦波线形度调节Vss或GND外界电容方波输出频率调制正弦波线形度调节正弦波输出三角波输出恒流源调节1恒流源调节2Vcc调频偏置电压图1.2.2 ICL8038C的引脚封装形式当接通电源、电路起振后，调整调频电位器使（VccVs）发生变化，通过计算，（VccVS能在0.45465V之间变化（按照原理图所注明的数值，Vcc=15V）从而可以根据=3(VccV)/(2RCVcc)计算出频率范围。式中R=R3=R4=4.7k，C=C2=10000F，则频率变化范围为967.2Hz10.6Hz。R3和R4阻值相等，使正弦波信号对称；RP3和RP4用来调整正弦波的波形，当IC1的12脚和1脚电位V12=0.4Vcc，V1=0.6Vcc时，可以得到较理想的正弦波。ICL8038C 脚的输出的信号经C3耦合，通过调幅电位器调节幅度（RP2同时作ICL8038C的负载）后输出至下一级。ICL8038C由开关SW1、恒流源I1、恒流源I2、比较器1、比较器2、触发器、缓冲器、三角波/正弦波变换器和外接电容CT等组成（如图2.1.1所示）。其工作原理见图2.1.2的ICL8038时间图。ICL8038的基本应用电路示于图2.1.3。图2.1.1 ICL的内部结构图2VS/3VS/3I1对CT充电I2对CT放电t11t2VS/3图2.2.2 ICL8038的时间图 图2.1.3 使用ICL8038的基本电路图2.1.3中的ICL8038的2端产生正弦波的频率是有恒流源I1对外接电容CT的充电时间t1和恒流源I2对外接电容CT的放电时间t2决定的。恒流源I1对外接电容CT充电，单位时间内电压的增量为：dV=（I1/CT）dt (1)电容CT上电压从Vs/3增至2Vs/3的时间为： t1=VSCT/3IT (2)恒流源对CT的放电时间为： t2=VSGT/3（I1 = I2） (3)由于图3中ICL8038的7端和8端短接，因此，电路中RA上电流对于冲电电流I1为： I1=R1VS/(R1+R2)RA (4)其中：R1=11K，R2=39K是ICL8038的内阻。将(4)式代入(2)式得恒流源I1对外接电容CT的充电时间为： t1=CTVS/(R1-R2)RA=1.5RACT (5)须使电容CT上的充放电电流相等。由图1可知，恒流源I2中的电流等于充电电流和放电电流之和，即相当于2倍RB上的电流。因此恒流源I2对CT的放电电流为： I2=2R1VS/(R1+R2)RS (6)将（4）、（6）式代入（3）式得恒流源I2对Cr的放电时间为： t2=1.5RARBCT/(2RA-Rb) (7)ICL8038产生的正弦波频率为： =1/(t1+t2) (8)将(5)、(7)式代入(8)式，且取RA=RB=R，得： =0.33/(RCT) (9)2.2 波形调节的设计2.2.1 幅度调节幅度调节分为微调和换档两部分。通过开关7、8和9的通断来实现幅度档位的切换：接通衰减开关8、9，信号通过R7和R8实现约10倍的衰减R8/(R7+R8),即实现幅度为20dB的衰减；若断开开关8、9，接通开关7，则信号直接流向下一级，不作任何衰减。微调通过改变RP2的阻值来实现。2.2.2 频率调节频率调节也分为微调和换档两部分。换档频率调节通过改变外接电容C2的容量来实现：在RS、R4和电源电压不变的情况下，改变C2的大小可以改变输出信号的频率范围，根据表2.1.2选用电容C2，可以得到不同的频率范围，通过开关1、2、3实现不同档次间的切换。在不同的档次下，再对频率进行微调。微调通过调节电位器RP1来实现。表2.1.2 C2的取值与输出信号频率的关系电容C2的容量/F对应的频率范围/kHz对应开关0.10.1110.0111020.0011010032.2.3 波形切换的设计 通过波形开关实现正弦波、方波和三角波之间的切换。2.3 隔离缓冲设计 由A741进行缓冲、隔离。利用运放A741组成的跟随器具有的高输入阻抗、低输出阻抗的特点，将前后电路较好的联系起来。2.4 放大电路的设计电路采用TDA2030A对信号进行放大，可以提高负载能力。另外TDA2030A还具有过热保护及短路保护功能。TDA2030A接成一个同相放大电路，放大倍数取决于R11和R10的值。2.5 输出和保护电路的设计R12，R13和R14三个电阻组成T形网络，可以有效防止输出端短路而造成的损坏，从原理图中不难看出，即使不小心将输出端短路，由于T形网络的存在，也可以避免使TDA2030A输出端(脚)对地短路，此时TDA2030A仍能正常工作，起到保护作用，该T形电阻网络的设置，不会降低信号发生器的负载能力，其特性阻抗可以按下式计算：Z=(Z0 Z)1/2。其中，Z0=R12+R13/R14，Z=R12+R13，通过计算，特性阻抗Z约为56.3。3.系统测试3.1 测量电源直流电压 测量±15V，确保无误，插上集成块，装好连接线（如图3.1.1所示）。用示波器观察波形发生的相应变化，通过示波器读出幅度和频率的范围。 +15V直流电源 GND15V +15VGND 信号发生器 波形输出 -15V示 波 器 输入图3.1.1 测试线路连接示意图3.2 调整波形用万用电表测量ICL8038C的1脚和12脚的电位，调整RP3和RP4，使1脚和12脚的电位分别为9.02V和6.20V时波形为最好。表3.2.1示出了集成块各引脚的电位(注：ICL8038C的8脚电位是随RP1的调节而改变的)。 表3.2.1 实测集成块各引脚电位 单位V管脚1234567891011121314ICL8038C9.07.77.612.612.615.211.710.214.87.57.606.100TDA2030A0014.9015.23.3 调试幅度衰减断开开关7，同时接通开关8和9，衰减电路接通，波形衰减后约为衰减前的1/10。3.4 验证短路保护功能将输出端短路后，用示波器仍能在TDA2030A的4脚测量到波形，短路去除后，输出端波形输出正常。4.结论本设计分为波形产生和信号输出两部分，前后通过A741很好的连接起来，并起到缓冲和隔离的目的。信号由ICL8038C产生，该IC性能价格比高能产生多种波形。通过TDA2030A对信号进行放大，提高负载能力并具有过热保护及短路保护功能。T形电阻网络在不降低信号负载能力的情况下，对电路进行保护。调试结果证明各项改善措施效果明显，发生器各项指标基本实现设计要求，并有一定的发挥。完成情况见表4.1.1。表4.1.1 系统完成情况序 号具体要求实现情况a基本要求能产生方波、正弦波、锯齿波、三角波等多种形该函数信号发生器可以产生正弦波、方波和三角波基本实现要求b波形无明显失真实现c频率范围：10hz10khz实现，最高频率可为100kHzd幅度范围：05V实现，幅度最大值为5.3Ve发挥部分能设置信号的频率、幅度，扩大信号的频率和幅度的范围。较好地实现。在电路中通过频率换档开关实现频率从10Hz到100kHz的频率调节；通过幅度换档开关实现幅度00.5V连续可调及05V连续可调附录 元件清单序号型号名称封装备注10.001FC2.2RAD0.1频率换档电容20.01FC2.1RAD0.130.1FC1RAD0.140.1FC2.0RAD0.151KR1AXIAL0.463.3KR10AXIAL0.474.7KR3AXIAL0.684.7KR4AXIAL0.695.1KR8AXIAL0.41010KR5AXIAL0.61110KR16AXIAL0.61210KR6AXIAL0.61322FC5RB.2/.41422KR2AXIAL0.61522KR11AXIAL0.61622KR9AXIAL0.61731.6R13AXIAL0.61833R14AXIAL0.61933R12AXIAL0.62047FC3RB.2/.42147FC4RB.2/.42247KR7AXIAL0.623220FC8RB.2/.424220FC7RB.2/.425220FC6RB.2/.4262030tdaTDA2030A信号放大27Component_1插座AXIAL1.028Component_1IC2DIP8缓冲、隔离29Component_1IC1DIP14信号发生30SW SPST开关1开关频率换档开关31SW SPST开关2开关32SW SPST开关3开关33SW SPST开关4开关波形切换34SW SPST开关5开关35SW SPST开关6开关36SW SPST开关7开关幅度换档开关37SW SPST开关8开关38SW SPST开关9开关3910 KRP1电位器频率微调电位器4047 KRP2电位器幅度微调电位器41100 KRP3电位器42100 KRP4电位器参考文献： 1 黄智伟，王彦。全国大学生电子设计竞赛训练教程。北京。电子工业出版社。2005 2 中国集成电路大全编写委员会，CMOS集成电路M。北京：国防工业出版社。1985 3 第二届全国大学生电子设计竞赛组委会，全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（1994-1995）M 北京：北京理工大学出版社. 原理图：