数控信号源设计.docx
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数控信号源设计
茂名学院
课程设计说明书
课程名称：
模拟电子技术课程设计
题目：
数控信号源设计
学生姓名：
专业：
班级：
学号：
指导教师：
日期：
2010年6月29日
茂名学院
课程设计任务书
一、设计题目：
数控信号源设计
二、主要内容及要求：
设计并制作一个数控信号源电路
1．功能与主要技术指标
⑴信号频率：
20Hz∽20kHz，步进调整，调整步距为1Hz；
⑵频率稳定度：
优于10-4；
⑶信号输出幅度：
0．1V∽3．0V步进调整，调整步距为0．1V；
⑷显示电路：
用5位数码管显示输出信号频率，二位数码管显示信号输出幅度；
⑸信号波形要求：
①正弦波信号：
输出信号的谐波失真系数≤3%；
②三角波信号：
波形要求为等腰三角形，其非线性系数≤2%；
③矩形波信号：
信号的上升和下降时间≤1μS；平顶降落≤5%；占空比2%∽98%
范围内步进可调，调整步距为2%。
2．系统组成框图:
频率调节电路接收操作人员的指令，改变振荡电路的输出频率，该信号经波形调节电路处理成各种波形信号，送入输出电路，最后经幅度调节电路后输出。
应用集成函数发生器ICL8038产生振荡信号；ICL8038进行频率调节与频率指示；波形用模拟开关进行切换；用程控放大器实现输出信号幅度的调节。
三.进度安排：
1.首先了解了实验的设计要求，通过去图书馆、上网查找相关资料，形成了初步思路。
2.通过在软件Multism10上连接部分电路，并调试仿真。
3.连接总线路图，分析与实验要求的差距，并改进。
4.完成课程设计说明书。
四.总评成绩
指导教师
学生签名
数控信号源设计
一、设计任务与要求
1.信号频率：
20Hz∽20kHz，步进调整，调整步距为1Hz；
2．频率稳定度：
优于10-4；
3.信号输出幅度：
0．1V∽3．0V步进调整，调整步距为0．1V；
4.显示电路：
用5位数码管显示输出信号频率，二位数码管显示信号输出幅度；
5.信号波形要求：
①正弦波信号：
输出信号的谐波失真系数≤3%；
②三角波信号：
波形要求为等腰三角形，其非线性系数≤2%；
③矩形波信号：
信号的上升和下降时间≤1μS；平顶降落≤5%；占空比2%∽98%范围内步进可调，调整步距为2%。
二、方案设计与论证
总体设计思路为：
应用集成函数发生器ICL8038产生振荡信号或者用分立元件组合完成相同功能，然后经过显示和调节电路进行频率调节与频率指示。
同时波形用模拟开关进行切换，最后用程控放大器实现输出信号幅度的调节；
方案一:
画出如图所示的系统框图，频率调节电路接收操作人员的指令，改变振荡电路的输出频率，该信号经波形调节电路处理成各种波形信号，送入输出电路，最后经幅度调节电路后输出。
因为ICL8038精密函数发生器采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、方便使用等优点，外部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，当调节外部电路参数时，还可获得占空比可调的锯齿波，所以该方案可行。
方案二：
利用集成块LM741有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：
线性良好、稳定性好；频率易调，在几个数量级的频带范围内，可方便的连续改变频率。
三角波和方波在半个周期内是线性函数，易于变换其他波形。
电路原理框图如下：
在此电路的基础上加上频率、幅值控制电路，以及显示电路，最终构成数控信号源。
这种设计方法用于没有集成的ICL8038芯片的仿真。
三、单元电路设计与参数计算
1．方波、三角波、正弦波发生电路：
a．RC串并联振荡电路：
RC文氏电桥振荡器电路如图4-1所示。
其中RC串并联电路兼作选频网络和正反馈网络，它决定了振荡频率f0；R1、RP、R2和二极管D1、D2构成负反馈网络，并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。
调节电位器RP，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。
电路的振荡频率为
起振的幅值条件
即 Rf≥2R1
通过调整电位器RP调节负反馈的强弱，使电路起振，进一步调节直到得到理想的振荡波形输出。
b．矩形波发生器
矩形波发生器如图4-2（a）所示。
它是由普通积分器（充放电回路不同）和迟滞比较器组成。
该电路的特点是线路简单，但三角波vc线性度较差。
主要用于产生方波或三角波要求不高的场合。
电容两端电压vc和v0的波形如图4-2（b）所示。
高电平v0＝＋Vz经历的时间为
低电平v0＝－Vz经历的时间为
振荡频率
占空比
因此，调节电位器Rp，改变其阻值，即可调节输出波形的占空比。
但实际运用时由于受运算放大器上升速度的限制，不能得到太窄的矩形波。
c． 方波－三角波发生器
把迟滞比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图4-3所示，比较器输出的方波经积分器可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样便可构成三角波、方波发生器。
由于采用集成运放组成积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波的线性大大改善。
通过分析可知，方波幅值大小由稳压管的稳定电压值决定，即方波的幅值V01m=±Vz。
三角波幅值为
该电路的振荡频率为
2.幅值、频率控制电路，选通电路控制部分：
两滑动变阻器共同调节频率。
各种波的幅值控制
三选通控制开关选通三角波、方波、正弦波输出。
3.频率、幅值显示电路：
XMM1用于输出信号电压显示，XFC1用于输出信号频率显示。
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
输出方波信号
输出三角波信号
输出正弦波信号
选通开关作用时的信号输出
幅值控制电路的波形变化
幅值、频率显示部分
2．元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
R1R2R7R8R7R10
电阻为10K、20K
6
U1U2U3
OPAMP_5T_VIRTUAL
OPAMP_3T_VIRTUAL
集成运放
加载12伏电压
3
R4R5R11R12R13
滑动变阻器
分别由A/B键控制
5
五、电路中参数的选择与计算：
根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为：
T1/T=2RA-RB/2RA故有RB<2RA
电路的震荡频率为f=1/T=I1（1-I1/I2）/VHC
其中VH是窗口比较器上下线电压的差值，即2/3Vcc-1/3Vcc=1/3Vcc；
电路设计时通常取I2=2I1。
因此电路震荡频率课转换为：
f=1/T=I1（1-I1/I2）/（1/3）VccC=3I1/2VccC
恒流源I的电流大小通常可由外部控制，从8脚外加电位器调节电流大小，以改变电路震荡频率。
六、性能测试与分析（写仿真调试与分析）
此函数信号发生器能产生稳定的正弦波、三角波和方波，波形的频率和幅度都可以调节单，且频率和幅度可调节范围大，频率可调节范围为100~1KHz。
正弦波的失真度小，三角波的非线性很小，方波的占空比可以自己调节。
此为，函数信号发生器的输出波形收到干扰很小，波形非常稳定。
以上设计的函数信号发生器需要进一步完善，在此电路中波形的频率无法显示，需要设计一个频率显示计用来显示频率。
七、结论与心得
这次实验让我在实验的过程中复习了以前所学过的知识，并且了解了好多自己不知道的东西。
让我对电路有了更深刻的理解，也是我了解了Protel，multisim等软件及其运用，是我认识到了电路设计过程的艰难，需要耐心，和整体的思维。
使我深深体会到动手能力的重要！
八、参考文献
《电子技术实验教程—模拟电路实践》计算机学院电子技术实验室编
《ProtelDXP电路基础设计教程》鲁捷主编清华大学出版社
《multisim8电子设计及应用》王冠华王伊娜编著国防工业出版社
网络上各种资料
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