简易信号发生器设计模电课程设计.docx
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简易信号发生器设计模电课程设计
简易信号发生器设计--模电课程设计
课程名称：
简易信号发生器设计
系部：
专业：
班级：
设计人：
学号：
1
指导老师：
前言
随着电子科技的飞速发展，《模拟电子技术》已经成为了一门应用范围极广，具有较强实用性的技术基础课。
为了适应当今的就业形势，我们有必要通过课后的实践，使我们的动手能力得到进一步的提高。
通过一个学期的模拟电子技术学习，我对这门课程有了较为深刻的了解，学到了很多知识，如半导体二极管，三极管的应用，放大电路的分析方法和应用，负反馈放大电路与基本运算电路性能与作用，信号产生电路等。
然而，随着社会的发展，电子技术也飞快发展，对电子技术的要求越来越高，所以对动手能力要求高。
而我系开设了模拟电路课程设计练习，对加强我们学生的动手能力非常重要。
为此，这次课程设计我们选择了单级阻容耦合晶体管放大器的设计。
本课程设计总结报告主要包括电路工作方案选择，工作原理说明，参数计算及元器件选择，调试与测试，EWB仿真等。
这次模拟电子技术课程设计是一次理论与实践的体现，能让我更好地掌握这门课程。
鉴于水平有限，因此在课程设计中难免有错，敬请各位予以指正，并在此谢谢各位老师的指导。
2010年6月15日
第一章课程设计任务书···········································4
第二章系统开发过程
2.1函数发生器的组成···········································5
2.2方波发生器·················································6
2.3三角波和方波发生器·········································7
2.4ICL8038芯片简介及典型应用--FSK·············8
第三章设计与应用要点
3．1函数信号频率和占空比的调节·················11
3．2正弦函数信号的失真度调节··················11
3.3基于ICL8038的FSK调制电路·················12
第四章提出解决问题的方案
用单片集成函数发生器5G8038·······························14
第五章参数的确定
5.1正弦波部分···············································15
5.2方波部分与三角波部分参数的确定····························15
第六章调试与测试
6.1系统PCB板的制作···········································17
6.2调试·······················································19
6.3电路测试···················································21
第七章元件清单················································24
第八章心得体会················································25
第九章鸣谢·····················································26
第十章参考文献················································26
第一章课程设计任务书
——简易信号发生器设计
一、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。
二、设计技术与要求
1、设计要求
A、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；
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、在画面板上或万能板上安装电路；
F、测试输出信号的幅度和频率；
G、写出设计性性报告。
2、技术指标
频率范围：
100HZ-1KHZ，1KZ-10KHZ;输出电压：
方波Vp-p<24V,
三角波Vp-p=6V,正玄波Vp-p=1V;方波tr小于1uS.
三、设计提示
方案提示：
采用单片集成芯片IC8038实现，但这种方案要求幅度和频率都可调，可采用数字电位器加程控放大器实现。
。
设计用仪器：
示波器1台，晶体管豪伏表，万能表1块，低频率信号发生器，实验面包板或万能板，智能电工实验台。
设计用主要器件：
单片函数发生器ICL8038一片，电位器100K的一个，10K的一个，1K的一个，电阻15K一个，20K一个，4.7K两个，电容0.1UF一个，4700PF一个。
参考书：
彭介华《电子技术课程设计指导》高教出版社；上课教材
四、设计报告要求
1、选定设计方案；
2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析计算主要元件参数值；
3、列出测试数据表格；
4、进行总结和分析，并写出设计性报告。
五、设计总结与思考
1、总结信号发生器的设计和测试方法；
2、总结设计信号发生器所用的知识点；
3、三角波的输出幅度是否可以超过方波？
4、IC8038的输出频率与那些参数有关？
如何减小失真？
第二章系统开发过程
一、函数发生器的组成
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。
电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
1、正弦波产生电路
正弦波振荡电路的振荡条件：
RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）
图11－1为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
≥2
式中Rf＝RW＋R2＋（R3//rD），rD—二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。
如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。
如波形失真严重，则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。
图11－1RC桥式正弦波振荡器
2、方波发生器
由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。
图11-2所示为由滞回比较器及简单RC积分电路组成的方波—三角波发生器。
它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。
主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。
电路振荡频率
式中 R1＝R1'＋RW'R2＝R2'＋RW"
方波输出幅值 Uom＝±UZ
三角波输出幅值
调节电位器RW（即改变R2／R1），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。
如要互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。
图11－2方波发生器
3、 三角波和方波发生器
如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图11－3所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。
图11－4为方波、三角波发生器输出波形图。
由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。
图11-3三角波、方波发生器
电路振荡频率
方波幅值 U′om＝±UZ
三角波幅值
调节RW可以改变振荡频率，改变比值
可调节三角波的幅值。
图11－4 方波、三角波发生器输出波形图
4、ICL8038芯片简介及典型应用--FSK
ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其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。
ICL8038芯片简介
1性能特点
具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；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。
⑵、管脚功能
图1为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。
脚1、12（Sine Wave Adjust）：
正弦波失真度调节；脚2（Sine Wave Out）：
正弦波输出；脚3（Triangle Out）：
三角波输出；脚4、5（Duty Cycle Frequency）：
方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V＋）：
正电源±10V～±18V；脚7（FM Bias）：
内部频率调节偏
图1 ICL8038管脚图
3、置电压输；脚8（FMSweep）：
外部扫描频率电压输入；脚9（Square Wave Out）：
方波输出，为开路结构；脚10（Timing Capacitor）：
外接振荡电容；脚11（V－or GND）：
负电原或地；脚13、14（NC）：
空脚。
4、基本电路的工作原理
ICL8038的内部框图如图2所示。
图2 ICL8038内部框图
其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。
恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。
当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。
由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。
在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。
由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。
适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。
因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。
正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。
利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。
ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。
一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N＝4，失真度可以小于1。
在实测中得到正弦信号的失真度可达0．5左右。
其精度效果相当满意。
第三章设计与应用要点
3．1 函数信号频率和占空比的调节
由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给，也可以由外部供给。
图3为几种由内部供给偏置电压调节的接线图。
图3 ICL8038典型应用
在以上应用中，由于第7脚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。
T＝t1＋t2 f＝1／T
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·RA）/（1/5·Vcc）=5/3RA·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·VCCRB－1／5·VCC／RA）
＝（3／5·RA＊RB·C）／（2RA－RB）
f＝1／（t1＋t2）＝3／｛5RAC［1＋RB／（2RA－R）］｝
对图3（a）中，如果RA＝RB，就可以获得占空比为50％的方波信号。
其频率f＝3／（10RAC）。
3．2 正弦函数信号的失真度调节
由于ICL8038单片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。
该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。
图4为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在实际应用中，两只100K的电位器应选择多圈精度电位器，反复调节，可以达到很好的效果。
图4 正弦波失真度调节电路
3.3基于ICL8038的FSK调制电路
该电路如图5所示．电路中稳压二极管的作用是将振荡频率根据需要设定一个中心频率点。
电阻R1和1000PF的电容器用来减小扫描引起的占空比变化。
利用8038压控振荡的功能，将数据信号通过运算放大器接到第8脚扫描控制端，振荡频率随着数据0电平和1电平而改变。
图5 ICL8038的FSK调制电路
在实验中，我们用6．2V稳压二极管设定中心频率，振荡电容值选择0．1μf，基带信号0和1电平值为TTL电平，速率为2400bps，经过本调制电路后测试，中心频率为1900Hz，0和1电平对应的输出信号频偏Δf＝±400Hz，其幅度没有发生变化，输出正弦波的失真度均不超过1．1％，说明扫描电压引起的失真变化非常小，基本没有寄生成分，输出0和1电平值与输出信号值的对应关系如表1所示。
当码速提高到9600bps时，经过实验测试，输出正弦波信号的失真度已变差，所以用ICL8038构成的调制电路，其码速一般在4800bps以下。
根据实验可知，利用此电路得到的FSK调制信号，其最低频率和最高频率可以依据具体实际情况在调制过程中改变，只需调整数据0电平值和1电平值的大小，就能改变FSK调制信号的频偏，而且调制信号幅度不受影响。
经过实际验证，用ICL8038芯片制成的FSK调制电路,输出的正弦波的寄生调幅成分极小，其性能远比滤波法优越。
又因采用了运算放大器使输入扫描电压（调制信号）相对于输出信号的线性度也得到很大改进，其输出信号正弦波的频率变化随输入扫描电压值线性变化，斜率为0．16Hz／mv。
在应用ICL8038精密函数发生器设计、研制FSK调制器时，应注意以下两点：
振荡电容器C的性能优劣，直接影响整个电路工作频率的稳定，在实验中，我们采用了性能稳定，温度系数小的金属化电容器，经测试，其输出函数信号的频率稳定度可达到10－3；由于RA和RB是决定输出信号占空比的关键元件，所以在实际使用中，尽量选择温度系数小，精度高的金属电阻和精密多圈电位器。
表1 “0”与“1”对应表
数据信号
电平值
频率值
码速
0
0V
1500Hz
2400bps
1
5V
2300Hz
第四章提出解决问题的方案
用单片集成函数发生器5G8038
选取分析：
此电路采用集成芯片从而大大简化了电路，方便我们新手设计。
第五章参数的确定
从电路的设计过程来看电路分为三部分：
①正弦波部分②方波部分③三角波部分
5.1正弦波部分
由于我们选取差分放大电路对三角波——正弦波
进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我
们现在选择KSP2222A型的三极管，其静态曲线图
像如右图所示。
根据KSP2222A的静态特性曲线，选取静态
工作区的中心
由直流通路有：
20k
k
因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。
根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：
可得
5.2方波部分与三角波部分参数的确定
根据性能指标可知
由
可见f与c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C为10
。
10Hz~100Hz,C为1
。
则
=7.5k
~75k
，则
=5.1k
则
=2.4k
或者
=69.9k
∴
取100k
∵
由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为5v和14v，有
=
∴
=10k
则
≈47k
，
=20k
根据方波的上升时间为两毫秒，查询运算放大器的速度，可以选择74141型号的运放。
由此可得调整电阻：
第六章调试与测试
实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。
这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。
然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。
因此调整电子电路的技能对从事电子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。
调试的常用仪器有：
万用表、示波器、信号发生器。
6.1系统PCB板的制作
1.据设计要求设计电路原理图,并完成原理图的绘制。
对于简单的原理图也可以进行直接的PCB板绘制。
a.据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单击“createNetlist”即可；
b.网络表有也是原理图与印制电路板的接口；
c.规划电路板的结构，即确定电路板的框架，设置系统参数；
d.引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；
e.引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行飞线；
f.修改封装与布局，这是自动布线的前提；
g.Protel99SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术，基于形状的对角线自动布线技术；
h.自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整；
i.存盘并打印；
j.结束。
电路的PCB板图。
（１）.印刷电路板的设计，从确定板的尺寸大小开始，印刷电路板的尺寸因受机箱外壳大小限制，以能恰好安放入外壳内为宜，其次，应考虑印刷电路板与外接元器件（主要是电位器、插口或另外印刷电路板）的连接方式。
印刷电路板与外接元件一般是通过塑料导线或金属隔离线进行连接。
但有时也设计成插座形式。
即：
在设备内安装一个插入式印刷电路板要留出充当插口的接触位置。
对于安装在印刷电路板上的较大的元件，要加金属附件固定，以提高耐振、耐冲击性能。
（２）.布线图设计的基本方法
首先需要对所选用元件器及各种插座的规格、尺寸、面积等有完全的了解；对各部件的位置安排作合理的、仔细的考虑，主要是从电磁场兼容性、抗干扰的角度，走线短，交叉少，电源，地的路径及去耦等方面考虑。
各部件位置定出后，就是各部件的连线，按照电路图连接有关引脚，完成的方法有多种，印刷线路图的设计有计算机辅助设计与手工设计方法两种。
最原始的是手工排列布图。
这比较费事，往往要反复几次，才能最后完成，这在没有其它绘图设备时也可以，这种手工排列布图方法对刚学习印刷板图设计者来说也是很有帮助的。
计算机辅助制图，现在有多种绘图软件，功能各异，但总的说来，绘制、修改比较方便，并且可以存盘贮存和打印。
接着，确定印刷电路板所需的尺寸，并按原理图，将各个元器件位置初步确定下来，然后经过不断调整使布局更加合理，印刷电路板中各元件之间的接线安排方式如下：
a.印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。
即，让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。
b.电阻、二极管、管状电容器等元件有“立式”，“卧式”两种安装方式。
立式指的是元件体垂直于电路板安装、焊接，其优点是节省空间，卧式指的是元件体平行并紧贴于电路板安装，焊接，其优点是元件安装的机械强度较好。
这两种不同的安装元件，印刷电路板上的元件孔距是不一样的。
c.同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上。
特别是本级晶体管基极、发射极的接地点不能离得太远，否则因两个接地点间的铜箔太长会引起干扰与自激，采用这样“一点接地法”的电路，工作较稳定，不易自激。
d.总地线必须严格按高频－中频－低频一级级地按弱电到强电的顺序排列原则，切不可随便乱接，级与级间宁肯可接线长点，也要遵守这一规定。
特别是变频头、再生头、调频头的接地线安排要求更为严格，如有不当就会产生自激以致无法工作。
调频头等高频电路常采用大面积包围式地线，以保证有良好的屏蔽效果。
e.强电流引线（公共地线，功放电源引线等）应尽可能宽些，以降低布线电阻及其电压降，可减小寄生耦合而产生的自激。
2、印刷板图设计中应注意的几点
（１）.布线方向：
从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：
指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
（２）.各元件排列，分布要合理和均匀，力求整齐，美观，结构严谨的工艺要求。
（３）.电阻，二极管的放置方式：
分为平放与竖放两种：
a.平放：
当电路元件数量不多，而且电路板尺寸较大的情况下，一般是采用平放较好；
b.竖放：
当电路元件数较多，而且电路板尺寸不大的情况下，一般是采用竖放；
（4）.进出接线端布置
a.相关联的两引线端的距离不要太大，一般为2～3/10英寸左右较合适。
b.进出线端尽可能集中在1至2个侧面，不要太过离散。
（5）.设计布线图时要注意管脚排列顺序，元件脚间距要合理。
6.2调试
1、调试前的检查
在电子元器件安装完毕后，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。
其检查内容包括：
检查连线是否正确
检查的方法通常有两种方法：
（1）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。
（2）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。
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