湖南工学院电子线路课程设计ICL8038Word格式文档下载.docx
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1、2设计目的…………………………………………………………5
1、3设计要求与技术指标……………………………………………5
第2章简易函数发生器的说明…………………………………………6
第3章问题的分析与方案论证…………………………………………6
3、1〖模型一〗………………………………………………………6
3、2〖模型二〗………………………………………………………7
3、3〖模型三〗………………………………………………………7
3、4〖模型四〗………………………………………………………8
第4章理论分析与设计方案的建立……………………………………8
4、1ICL8038的工作原理……………………………………………8
4、2ICL8038组成函数发生器的应用………………………………9
第5章电路设计说明……………………………………………………10
5、1电路设计图……………………………………………………………10
5、2电路PCB图……………………………………………………………11
5、3原理说明………………………………………………………………11
5、4电路参数的选择………………………………………………………12
5、5电路的EDA实现及仿真分析…………………………………………12
第6章电路的调试与检测………………………………………………14
6、1电子安装的检查…………………………………………………14
6、2通电观察…………………………………………………………14
6、3单元电路调试……………………………………………………14
6、4动态调试…………………………………………………………14
6、5调试中注意的事项………………………………………………15
第7章实验数据及其分析………………………………………………16
第8章元件清单………………………………………………………17
第9章模型的评价与改进………………………………………………17
第10章实验设计总结与体会……………………………………………18
附录APCB板的制作…………………………………………………19
附录B焊接技术………………………………………………………20
参考文献
第1章电子线路课程设计任务书
1、1设计任务
1、进行设计方案的比较,并选定设计方案;
2、完成电路的设计和主要元器件说明;
3、完成硬件原理图设计和PCB图设计;
4、安装各单元电路,要求布线整齐,美观。
1、2设计目的
1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术。
2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。
3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。
1、3设计要求与技术指标
1、设计要求
A、电路能输出正弦波(选做)、方波(必做)和三角波(必做)等三种波形;
B、输出信号的频率要求可调;
C、拟定测试方案和设计步骤;
D、根据性能指标,计算元件参数,选好元件,设计电路并画出电路图;
E、在面包板上或万能板上安装电路;
F、测量输出信号的幅度和频率;
H、写出设计性报告。
扩展要求:
输出信号的幅度和频率要求连续可调,幅度范围为0-5V,频率范围100Hz-10KHz。
2、技术指标
频率范围:
100Hz-1KHz,1KHz-10KHz;
输出电压:
方波VP-P≤24V,三角波VP-P=8V,正弦波VP-P=1V(选做);
方波Tr小于30uS。
第2章简易函数发生器的说明
函数信号发生器,也叫简易信号发生器,它能输出稳定的正弦波、三角波、方波,且输出频率在100Hz~1KHz范围内连续可调,输出电压幅度在0~5V连续可调,由正负12V直流稳压电源供电。
它由震荡电路,比较器,积分器,反向器等基本电路组成的,通过调节电容或者电阻改变波形的频率和幅值。
本课题设计对函数发生器的几个设计方案进行了分析比较,最终采用芯片ICL8038构成函数信号发生器电路,741构成功率放大电路可同时输出符合要求的方波、三角波和正弦波,频率调节范围大,正弦波失真小,制作简单,价格低廉,使用方便。
关键词:
ICL8038,波形,原理图,信号发生器,波形调整。
第3章问题的分析
函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形,其电路中使用的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),也可以是集成电路(如单片集成电路函数发生器ICL8038)。
所以可确定多种方案。
3、1〖模型一〗
此方案可先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变成方波,再由积分电路将方波变成三角波;
由文氏电桥产生正弦振荡,然后通过比较器得到方波,方波积分可得三角波。
这一方案为一开环电路,结构简单,产生的正弦波和方波的波形失真较小。
但是对于三角波的产生则有一定的麻烦,因为题目要求有10倍的频率覆盖系数,然而对于积分器的输入输出关系为:
显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。
而这是电路所不希望的。
幅度稳定性难以达到要求。
而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。
3、2〖模型二〗
也可先产生三角波-方波,再将三角波变成正弦波。
如下框图所示。
由积分器和比较器同时产生三角波和方波。
其中比较器起电子开关的作用,将恒定的正、负极性的
电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。
该电路的优点是:
1线性良好、稳定性好;
2频率易调,在几个数量级的频带范围内,可以方便地连续地改变频率,而且频率改变时,幅度恒定不变;
3不存在如文氏电桥那样的过渡过程,接通电源后会立即产生稳定的波形;
4三角波和方波在半周期内是时间的线性函数,易于变换其他波形。
3、3〖模型三〗
用单片集成芯片IC8038实现,此方案要求幅度和频率都可调,可由数字电位器加程控放大器实现。
它是一种多用途的波形发生器,可以用来产生正弦波,方波,三角波和锯齿波,其震荡频率可以通过外加电压进行调节,又称压控集成信号产生器。
利用8038芯片的优点是十分明显如下
①、集成度比较高,输出稳定,
②、构成的电路简单,所用的元件少,经济实惠。
③、函数波形的频率受内部或外电压控制,可被应用于压控振荡和FSK调制器。
④、具有在发生温度变化时产生低的频率漂移,最大不超过50ppm/℃;
正弦波输出具有低于1%的失真度;
三角波输出具有0.1%高线性度;
具有0.001Hz~1MHz的频率输出范围;
工作变化周期宽,2%~98%之间任意可调;
高的电平输出范围,从TTL电平至28V;
易于使用,只需要很少的外部条件。
3、4〖模型四〗
用单片机和A/D转换器实现,编写相应的程序即可实现。
如采用一片AT89S51单片机和DAC0832数模转换器组成的智能数字式低频信号发生器。
按用户的需要,选择运行不同的程序,将会得到不同的波形信号。
再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路以及放大整形电路,就完成了一个频率可调的多功能信号发生器的设计。
考虑到实验电路的简单及其稳定性,我们用集成芯片IC8038来实现信号发生器的设计。
第4章理论分析与设计方案的建立
4、1IC8038的工作原理
采用8038集成电路,它的内部结构和外观图如下面图一和图二所示,
图3-1ICL8038内部原理电路框图
图3-28038管脚图
管脚说明:
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
在图一中,由手册和有关资料可看出,IC8038由恒流源I1、I2,电压比较器C1、C2和触发器①等组成。
电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3(其中VR=VCC+VEE),电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,且I2必须大于I1。
当触发器的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/3时,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又随时间线性上升。
如此周而复始,产生振荡。
若I2=2I1,VC上升时间与下降时间相等,就产生三角波输出到脚3。
而触发器输出的方波,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<
I2<
2I1时,VC的上升时间与下降时间不相等,管脚3输出锯齿波。
因此,8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。
4、2ICL8038组成函数发生器的应用
由图3-2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之间的电压)是(VCC+VEE/5),它可作为管脚8的输入电压。
此外,该器件的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3-3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的输出分别为方波、三角波和正弦波。
电路的振荡频率f约为0.3/[C(R1+RP1/2)]。
调节RP1、RP2可使正弦波的失真达到较理想的程度。
在图3-3中,当RP1动端在中间位置,断开管脚8与7之间的连线,若在+VCC与-VEE之间接一电位器,使其动端与8脚相连,改变正电源+VCC与管脚8之间的控制电压(即调频电压),则振荡频率随之变化,因此该电路是一个频率可调的函数发生器。
如果控制电压按一定规律变化,则可构成扫频式函数发生器。
图3-2电路图
第5章电路设计说明
5、1电路设计图
由以上理论分析及技术指标可设计ICL8038组成的函数发生器电路实验图如下图4-1所示:
图4-1函数发生器实验电路原理图
在电路设计的提高部分我们增加了调幅电路。
5、2电路PCB图
生成PCB图如下:
图4-2函数发生器PCB图
5、3原理说明
由图三和图四及8038的原理结构可以知道,通过改变电容可以调节整个波形的频率范围,这是粗调,相对而言,调节R1可是达到某个频率,这是细调。
7脚和8脚短节可以使频率调节电压偏置一定,所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定,其频率为f,周期T,t1为振荡电容充电时间,t2为放电时间。
依题意有T=1/f=t1+t2
由于三角函数信号在电容充电时,电容电压上升到比较器规定输入电压的1/3倍,分得的时间为:
t1=CV/I=(C+1/3•Vcc•
)/(1/5•Vcc)=5/3
•C
在电容放电时,电压降到比较器输入电压的1/3时,分得的时间为:
t2=CV/I=(C+1/3•Vcc)/(2/5•Vcc
-1/5•Vcc/
)
=(3/5•
*
•C)/(2
-
f=1/(t1+t2)=3/{5
C[1+
/(2
-R)]}
如果
=
,就可以获得占空比为50%的方波信号。
其频率f=3/(10
C)。
按照设计要求,方波VP-P≤24V,三角波VP-P=6V,正弦波VP-P=1V,在8038的2、3、9脚后面接调幅电路。
可以通过选择拨码开关实现,两个741芯片组成两极放大电路,调节R1和R2改变比例系数来实现电压的放大。
5、4电路参数的选择
通过以上分析,可以选取以下元件的值来实现设计要求。
R0=R1=R2=10KR3=30KR4=R5=R6=R7=5K
C0=C1=0.1uFC2=0.01uFC3=4700pF
VR0=50KVR1=100KVR2=1KVR3=10KVR4=50K
放大环节采用uA741集成运放2个
5、5电路的EDA实现及仿真分析
输出瞬态分析:
通过在1K~10K的范围内对电位器
的调节,我们可以得到频率覆盖1K~10KHz的各输出波形。
两个边界频率的瞬态分析结果见以下诸图(Protel99SESIM99仿真):
(10KHz三角波0dB–20dB–30dB输出图)
(10KHz方波0dB–20dB–30dB输出图)
(10KHz正弦波0dB–20dB–30dB输出图)
(1KHz三角波0dB–20dB–30dB输出图)
(1KHz方波0dB–20dB–30dB输出图)
(1KHz正弦波0dB–20dB–30dB输出图)
第6章电路的调试与检测
交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。
一般情况下,直流为交流服务,直流是电路工作的基础。
因此,电子电路的调试有静态和动态调试之分。
静态调试过程:
例如,通过静态测试模拟电路的静态工作点,数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等,可以及时发现已损坏的元器件,判断电路工作情况,并及时调整电路参数,使电路工作状态符合设计要求。
调试的常用仪器有:
万用表、示波器、信号发生器。
6、1电子安装的检查:
电路安装完毕,首先直观检查电路各部分接线是否正确,检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路,器件有无接错。
(1)连线是否正确
a.按照电路图检查安装的线路
这种方法的特点是根据电路图连线,按一定顺序安装好的线路,这样比较容易查出哪里有错误。
b.按照实际线路来对照原理图电路进行查线
这是一种以元件为中心进行查线的方法。
把每个元件引脚的连线一次查清,检查每个去处在电路图上是否存在,这种方法不但可以查出错线和少线,还容易查出多线。
为了防止出错,对于已查过的线通常应在电路图上做出标记,最好用指针式万用表“欧姆1”挡,或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量,可直接测量元、器件引脚,这样可以同时发现接触不良的地方。
(2)元器件的安装情况
检查元器件引脚之间有无短路和接触不良,尤其是电源和地脚,发光二极管“+”、“-”极不要接反。
6、2通电观察
把经过准确测量的电源接入电路。
观察有无异常现象,包括有无元件发热,甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等;
如有此现象,应立即断电源,待排除故障后才能通电。
6、3单元电路调试
在调试单元电路时应明确本部分的调试要求,按调试要求测试性能指标和观察波形。
调试顺序按信号的流向进行,这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号,为最后的整机联调创造条件。
电路调试包括静态和动态调试,通过调试掌握必要的数据、波形、现象,然后对电路进行分析、判断、排除故障,完成调试要求。
6、4动态调试
调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号,并循着信号流向来检测各有关点的波形,参数和性能指标。
发现故障应采取各种方法来排除。
通过调试,最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求,如必要再进一步对电路参数做合理的修正。
1、频率范围的测试
接通电源,用示波器对电路实物进行测试。
将示波器输入端接入信号,调节电位器VR1,测得其频率范围为:
300HZ~3.6KHZ。
2、方波的测试
将示波器输入端接9脚,可得到方波的输出波形,其输出电压
VP-P=20.1V。
输出波形如图6-1所示:
图6-1
3、三角波的测试
将示波器输入端接3脚,可得到三角波输出波形,由于三角波的幅度可调,所以调节VR2,可得到三角波的Vpp为:
7.5V。
输出波形如图6-2所示:
图6-2
4、正弦波的测试
将示波器输入端接2脚,可得到正弦波输出波形,由于正弦波的幅度可调,所以调节VR3,可得到正弦波的Vpp为:
5.0V。
输出波形如图6-3所示:
图6-3
6、5调试中注意的事项
为了保证效果,必须减小测量误差,提高测量精度。
为此,需注意以下几点:
(1)正确使用测量仪器的接地端
(2)测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。
因为,若测量仪器输入阻抗小,则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。
(3)仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。
要正确选择测量点。
(4)用同一台测量仪进行测量进,测量点不同,仪器内阻引起的误差大小将不同。
(5)调试过程中,不但要认真观察和测量,还要于记录。
记录的内容包括实验条件,观察的现象,测量的数据,波形和相位关系等。
只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较,才能发现电路设计上的问题,完善设计方案。
(6)调试时出现故障,要认真查找故障原因,切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。
因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。
我们应该认真检查.
调试结果是否正确,很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。
第7章实验数据及其分析
在检测实验成品的性能过程中,我们考虑到某些频率段的失真度比较大。
故只用两个主要的频率段进行测量和分析,在此,请读者谅解!
在示波器中,其中的波形幅值分两种档位:
10×
和1×
。
数据
波形
频段选择
C=4700PF(f=1k~10kHz)
C=0.01μF(f=100~1kHz)
档位
10×
1×
三
角
波
f(频率)
4000Hz
701.8Hz
Vp-p
7.8V
800mV
Vmax
4.24V
440mV
Vmin
-3.60V
-360mV
占空比
50%
49.1%
方
4008Hz
699.3Hz
16.8V
1.68V
9.4V
811mV
-7.4V
-718mV
49.7%
正
弦
4000Hz
5V
540mV
2.44V
286mV
-2.56V
-168V
48.8%
43.5%
在数据的测试当中,我们可以看出正弦波的失真度比较大,在测频率1~100Hz时,整个电路所测出的波形都有很大的失真,故不测出其结果。
把此数据与上面仿真结果得到我们的电路还存在很多问题,分析其中原因正如在直流稳压源的设计报告中也存在同样的问题
第8章元件清单
本设计所需元件及器材如下:
名称
数量
ICL8038芯片
一个
LM741芯片
两个
无极性电容4700pF
无极性电容0.1uF
无极性电容0.01uF
精密电位器50K
精密电位器10K
精密电位器1K
精密电位器100K
电阻10K30K5K
八个
缚铜板
一块
镊子
尖嘴钳
斜口钳
数字万用表
三氯化铁
若干
排插
第9章模型的评价与改进
本课题设计的函数信号发生器在低频范围内性能好,高频则有缺陷,并且体积较大,价格较高。
假如利用模型四则可弥补模型三的一些小小的不足,模型四的优点是:
体积小,价格便宜,耗电少,频率适中,便于携带。
第10章实验设计总结与体会
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。
通过这次课程设计,让我的理论联系实际能力、设计电路能力、实际操作能力以及正确的处理数据、分析和综合实验结果,检查和排除故障的能力有了大大的提高,并且巩固了我的理论知识,起到了双重效果。
通过这次课程设计,让我知道了怎样画PCB图和电路的EDA实现及仿真分析。
在制板过程中需要耐心,在焊接其电路图时更要特别小心。
要想做出一个实用的实物来,并不是自己想象中的那样简单。
其一,我们必须掌握一些必备的常识,比如,三极管引脚的判定以及电阻值的判定。
其二,我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题,应该以作为一个工程人员应用的素质去面对,发现问题,解决问题。
在实验时应保持冷静,测试有条理