通用函数信号发生器的设计与制作【毕业论文】

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本科毕业设计通用函数信号发生器的设计与制作28 摘要函数信号发生器是指能自动产生方波、正弦波、三角波等电压波形的仪器,它在实验及科学研究中得到了广泛应用。本次毕业设计的任务是设计一个函数信号发生器，使其能自动产生方波、三角波以及正弦波。本论文主要针对函数信号发生器进行论述，它基本可分为四部分：第一部分主要是对设计中应用到的一些模电数电方面的知识如晶振电路、电压比较器、积分器、差分放大器等进行简单介绍；第二部分的主要内容是提出了以下三种设计方案：第一种方案是基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计，第二种方案基于专用直接数字合成DDS芯片函数信号发生器的设计，第三种方案是基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计。随后，并且对这三种方案的优点和缺点进行分析比较，最后确定采用第三种方案来完成函数信号发生器的设计。第三部分就具体介绍了我的设计方案—基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计，它是本文的核心，该部分讲述了性能指标、原理框图、以及如何通过参数计算来确定设计电路等几个方面的内容；文章第四部分就主要介绍了调试安装的方法，并对设计中出现的故障进行了简要分析。关键字：函数信号发生器；差分放大器；积分器28 AbstractThefunctionsignalgeneratingdeviceisreferscanautomaticallyhavevoltagewaveformtheandsoonthesquare-wave,sinewave,trianglewaveinstrument,itobtainedthewidespreadapplicationintheexperimentandthescientificresearch.Thegraduationprojectdutydesignsafunctionsignalgeneratingdevice,enablesitsautomaticallytohavethesquare-wave,thetrianglewaveaswellasthesinewave.Thepresentpapermainlyaimsatthefunctionsignalgeneratingdevicetocarryontheelaboration,itisbasicmaydivideintofourparts:thefirstpartmainlyistosomemoldelectricitynumberelectricityaspectsknowledgelikevoltagecomparatorswhichdesignsapplies,theintegrator,thedifferentialamplifierandsooncarriesonthesimpleintroduction;Thesecondpartofmaincontentwasproposedfollowingthreekindofdesignproposal:ThefirstkindofplanisbasedonthemonolithicintegratedchipMAX038functionsignalgeneratingdevicedesign,thesecondkindofplanisbasedonspecificDDSdirectdigitalsynthesischipFunctionSignalGenerator,thethirdkindofplanisbasedonthetransistor,transportsputsfunctionsignalgeneratingdevicetheandsoontheICdesign.Subsequently,andcarriesontheanalysiscomparisontothesethreekindofplansmeritandtheshortcoming,finallydeterminedusesthethirdkindofplantocompletethefunctionsignalgeneratingdevicethedesign.Thethirdpartspecificallyintroducedmydesignproposal-basedonthetransistor,transportsputsfunctionsignalgeneratingdevicetheandsoontheICdesign,itisthisarticlecore,didthispartnarratetheperformanceindex,thefunctionalblockdiagram,howaswellascalculatesthroughtheparameterdeterminesthedesignelectriccircuitandsoonseveralaspectsthecontent;Thearticlefourthpartmainlyintroducedthedebugginginstallmentmethod,andtodesignedthebreakdownwhichappearedtocarryonthebriefanalysis.Keyword：Functionsignalgeneratingdevice;Differentialamplifier;Integrator28 目录第1章绪论11.1论文来源及意义11.2国内外研究现状及发展趋势11.3本设计主要研究内容1第2章函数信号发生器相关知识与基本原理32.1方波发生器32.2积分器42.3差分放大器42.3.1传输特性52.3.2共模特性6第3章系统总体方案设计及论证73.1方案的论证选择73.1.1方案一73.1.2方案二83.1.3方案三93.2系统最终方案9第4章系统硬件设计114.1总的电路原理图114.2方波发生电路124.2.1工作原理124.2.2元件选择与作用164.3三角波转换电路164.3.1工作原理174.3.2元件选择与作用184.4正弦波转换电路194.4.1工作原理194.4.2元件选择与作用204.5音频调幅和滤波电路204.5.1工作原理2028 4.6电路仿真21第5章调试结果分析235.1电路的安装与调试235.1.1PCB制板235.1.2电路板的焊接与调试235.1.3本设计实物制作245.2调试结果245.2.1方波产生电路245.2.2三角波发生电路255.2.2三角波—正弦波转换电路25小结26致谢27参考文献28附录1整体设计原理图29附录2PCB图3028 第1章绪论1.1论文来源及意义函数信号发生器作为一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学研究等领域【1】。它为电子测量和计量工作提供了符合严格技术要求的电信号设备，因此是电子测试系统的重要部件，是决定电子测试系统性能的关键设备。它与示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是得到最广泛应用的电子仪器之一。它是各种测试核试验过程中不可缺少的工具，例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里所说的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要不同功率大小、频率高低的振荡器等等【2】【3】。不论是在生产、科研还是教学上，信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。而且，信号发生器的设计方法很多，设计技术也越来越先进。随着我国经济和科技的发展，对相应的测试仪器和测试手段也提出了更高的要求。信号发生器已成为测试仪器中至关重要的一类，因此设计信号发生器具有重大意义。1.2国内外研究现状及发展趋势信号发生器能够产生大量的标准信号和用户自定义信号，己经成为了设计工程师们的得力助手，国外己有很多成形的产品上市，尤其是Agilent公司的信号发生器一直是业界公认的高水平仪器，而且种类和型号最多。世界上第一个任意波形发生器是由Wavetek公司1975年生产的175模块。按今天的标准它是采用了3MHz的晶振和256字节的波形存储器。到现在国外一些生产厂商已经生产出软件功能丰富、频带宽、合成波形多、DAC位数高的任意波形发生器。如RacalInstrument公司的3151（100MS/s），Analogic公司的DBS2050A（2.4GS/s）等等VXI任意波模块【7】。随着世界经济的不断发展，国际上的信号发生器的种类越来越多。很多公司都根据市场需求研发出了高性能的函数信号发生器，目前已经可以利用可视化编程语言(如VisualBasic,VisualC等等)编写任意波形发生器的软面板，这样就可以允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。我国台式波形发生器发展较快，并广泛应用在通信、雷达、无线电导航、医疗、影视音响以及电测仪器等领域【21】。目前我国己开始研制任意波发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国任意波发生器还没有形成真正的产业，就目前国内的成熟产品来看，PC仪器插卡和台式仪器比较多，而VXI模块较少，并且我国目前在任意波发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.3本设计主要研究内容本设计主要任务是设计制作一个通用函数信号发生器，要求利用晶振、三极管、运放等分立元件完成。且需要产生标准的三角波、方波、正弦波，要求输出波幅度可调，三种波的失真度在1%以内，晶振输出的频率要求进行分频，在最后再加一个音频调幅。28 在其它的多种设计方案中，本文选用晶振、集成运算放大器与晶体管差分放大器来实现方函数信号发生器的设计。此设计方案的基本思想是用晶振和外围电路组成振荡器，其中通过分频产生的方波经过积分电路变换成了三角波，电容的充、放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。此方案的优点是它是一种最基本的设计方案，它能综合运用我们所学的知识进行设计，电路简单，价格低廉，工作原理直观明了，且通过安装调试后，能基本实现任务书的要求。本文具体内容安排如下：(1)第2章主要给出了函数信号发生器相关的知识，研究了本文主要的设计思想和基本理论。(2)第3章系统方案的比较分析，确定出最终方案。(3)第4章确定了总的电路图，然后主要对各分块电路进行分析其功能的实现及器件的选择。(4)第5章主要介绍了在毕业设计中尤其在制作电路板以及调试中遇到的问题和解决情况，分析其调试结果。28 第2章函数信号发生器相关知识与基本原理282.1方波发生器方波的产生方法有很多，比如最常用的NE555实现，单片机编程，多谐波振荡器，单双稳态触发器，晶振以及电压比较器等等，下面主要介绍一下晶振电路。晶振全称为晶体振荡器，其作用在于产生原始的时钟频率。它的内部结构可以等效成一个电容和一个电阻并联后再串联一个电容，两个谐振点中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。由于晶振自身的特性使其在一定频率范围内可以等效为一个电感，只要在晶振的两端并联上合适的电容就可以组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加一个负反馈电路就可以构成正弦波振荡电路。 　　晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器（注意是放大器不是反相器）的两端接入晶振，再有两个电容分别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接地，这两个电容串联的容量值就应该等于负载电容，还有一个绝对不能忽略掉的是一般IC的引脚都有等效输入电容。一般的晶振的负载电容为12.5pF或15pF，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则用两个22pF的电容组成晶振的振荡电路是比较好的选择【6】。 　　晶体振荡器可以分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振（谐振）的英文名称有所不同，无源晶振为crystal（晶体），有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。从字面意思上就可以看出无源晶振只是一个晶体，没有自带振荡器，只有借助于时钟电路才能产生振荡信号，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振则是一个完整的谐振振荡器。谐振振荡器包括石英（或其它晶体材料）晶体谐振器，陶瓷谐振器，LC谐振器等。图2.1所示的为晶振的电气特性。图2.1晶振荡子的特性如图2.1（a）所示的为等效电路，图（b）所示的为电抗特性。为串联谐振频率点，为并联谐振频率点，其谐振频率分别如下：28 (2-1)(2-2)使用振荡器可以使频率更为稳定，振荡领域为串联谐振点与并联谐振点之间。2.2积分器在函数信号发生器中积分器的主要作用是用来构成三角波产生电路，积分器的基本电路如图2.2（a）所示。若选用阶跃信号，在时，输出电压的表达式为或，式中，为积分时间常数；输出电压的最大值受集成运算放大器的最大输出电压和输出电流限制，因此积分时间是有限的【10】。为了限制电路的低频电压增益，可将反馈电容与一电阻RF并联。当输入频率大于时，电路为积分器；若输入频率远低于，则电路近似一个反相器，低频电压增益为(2-3)实际的积分器电路如图2.2（b）所示。若输入为一对称方波，则积分器的输出为一对称三角波，其波形关系如图2.2（c）所示。a)电路图b)实际电路c)输出波形图2.2积分器及其输出波形2.3差分放大器具有恒流源的差分放大器【20】，应用十分广泛。特别是在模拟集成电路中，常作为输入级或中间放大级，而在函数信号发生器中的作用是用来产生正弦波，主要是应用其工作在非线性区。差分放大器电路如图2.3所示。其中，、称为差分对管，常采用双三极管如5G921或BG319等，它与电阻、、、及电位器RP共同组成差分放大器的基本电路。、与电阻、、共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流，均压电阻、给差分放大器提供对称差模输入信号。晶体管与、与的特性应相同，电路参数应完全对称，改变可调整电路的对称性。由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度的变化，还是电源的波动（称之为共模信号），对、28 两管的影响都是一样的。因此，差分放大器能有效地抑制零点漂移。差分放大器的主要性能参数有传输特性，差模特性及共模特性。（a）双三极管芯片（b）差分放大电路图2.3差分放大器电路2.3.1传输特性传输特性是指差分放大器在差模信号输入下，集电极电流随输入电压的变化规律，传输特性曲线如图2.4所示。由传输特性可以看出：当差模输入电压=0时，两管的集电极电流相等，IC1Q=IC2Q=I0/2，称Q点为静态工作点；当增加（±25mV以内）时，随线性增加，随线性减少，IC1+IC2=I0的关系不变，称的这一变化范围为线性放大区；在增加到使T1趋于饱和区，T2趋于截止区（超过±50mV）时，的增加和的减小都逐渐缓慢，这时、随做非线性变化，称的这一变化范围为非线性区，增大射极电阻可加强电流负反馈，扩展线性区，缩小非线性区；在再继续增加（超过±100mV），T1饱和、T2截止时，、不再随变化，称的这一变化范围为限幅区。通过测量T1和T2的集电极电压、随差模电压的变化规律也可以来测量差模传输特性。因为vC1=VCC-iC1RC1，如果+VCC、RC1确定，则vC1与-iC1的变化规律相同，VC(-)为晶体管截止时的电压，VC(+)为晶体管饱和时的电压。静态工作点Q对应的电压为VCQ，当增加时，随线性减少，随线性增加。此传输特性可以同来设置差分放大器的静态工作点，观测电路的对称性。图2.4差模传输特性曲线28 2.3.2共模特性当差分放大器的两个输入端输入一对共模信号（大小相等、极性相同）时，由于恒流源的作用，集电极电压、不会因变化而同时增加或减小。如果电路参数完全对称，则共模电压增益AVC≈0。所以，具有恒流源的差分放大器对共模信号，如晶体管的零点漂移、电源波动、温度变化等的影响具有很强的抑制能力。常用共模抑制比KCMR来表征差分放大器对共模信号的抑制能力，KCMR愈大，说明差分放大器对共模信号的抑制力愈强，放大器的性能愈好。共模抑制比KCMR的测量方法如下：当差模电压增益AVD的测量完成后，输入Vic=500mV，=500Hz的共模信号。如果电路的对称性很好，则VC1=VC2≈0，示波器观测、时，其波形近似于一条水平直线。如果电路的对称性不是很好，、的波形可能为一对大小相等、极性相反的正弦波（其原因是由于电路的参数不完全对称所引起的）。虽然电路参数不完全对称，但由于AVC≤1，放大器的共模抑制比也能达到几十分贝，对共模信号仍具有较强的抑制能力。因此，在要求不是很高的情况下，可以用一固定电阻代替恒流源，T1、T2也可以采用特性相近的两只晶体管，还可以通过调整外参数使电路尽可能对称。28 第3章系统总体方案设计及论证函数信号发生器是能自动产生正弦波，方波，三角波等信号电压波形的电路或仪器。它的设计方案一般有以下几种：基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计，基于专用直接数字合成DDS芯片函数信号发生器的设计以及基于基于晶体管、运放IC函数信号发生器的设计等等。本章将对上述的三种方案进行详细阐述，通过比较论证确定最终方案。3.1方案的论证选择本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案。3.1.1方案一此方案是基于单片集成芯片MAX038的函数信号发生器设计【4】【5】。MAX038是美国马克希姆(MAXIN)公司新研制的单片高频精密函数波形发生器，和ICL8038相比，它具有高频特性好，频率范围很宽，频率与占空比能单独调节，功能全，调节方式更加灵活等优点。它可用单电源供电，也可双电源供电，电压值为5~15V，频率的可调范围为1~600kHz，输出矩形波的占空比可调范围为2%~98%。此方案的工作原理是当给函数发生器MAX038接通电源时，电容C的电压为0V，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，为高电平；使电子开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流时间的增长而线性上升。Uc的上升使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Uc上升到1／3VCC时，电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（同时变为低电平），导致电子开关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触发器的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1／3VEE，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（同时为高电平），使得电子开关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，因而电容上电压为对称三角波形,和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。通过以上分析可知，改变电容充电放电电流即改变RA，RB的数值，或改变电容C的数值，就改变了充放电时间，因此可改变其频率【8】。　　图3.1所示为MAX038最常见的接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL＝10kHz到＋VCC。图中RA和RB可分别独立调整，通过改变RA和RB的数值可改变矩形波的占空比，当RA=RB时矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波。28 图3.1MAX8038的基本接法3.1.2方案二直接数字频率合成技术DDS【7】的出现改变了以往的采用RC振荡电路、直接频率合成、锁相环等传统的频率合成方法，它以固定的精确时钟源为基准，利用数字处理模块产生频率和相位均可调的输出信号。采用直接数字合成（DirectDigitalFrequencySynthesizer,简称DDS或DDFS）。用随机读/写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求，以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存在存储器内的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形。DDS的原理框图如图3.2所示：图3.2DDS原理框图DDS的基本工作原理是：DDS系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、数/模转换器和低通滤波器组成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。每来一个时间脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS的输出频率。DDS的输出信号频率fout与基准时钟fc1k、相位累加器位数N、频率控制字K之间的关系为：(3-1)(3-2)28 频率分辨率为：(3-3)假定基准时钟为50MHz，累加器为16位，则即fc1k=50MHz，再假定K=4096，则可见，通过设定相位累加器位数、频率控制字K和基准时钟的值，就可以产生任意频率的输出。3.1.3方案三此方案是用分立元件设计函数信号发生器共包括三个部分电路，一部分为晶振产生方波，第二部分为方波转换成三角波，最后一个部分为三角波到正弦波的转换电路。下面如图3.3为整个系统设计的原理框图：晶振电路积分电路差分放大器图3.3电路原理框图本设计的基本思想是通过晶振产生许多个脉冲波，再通过一个分频器产生我们所需频率的方波，方波经过积分电路变换成了三角波，电容的充、放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。3.2系统最终方案根据设计要求和以上论述可知：基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器设计的优点：MAX038频率高、精度好，能产生多种波形，可以达到较高的频率，且易于调试，能够达到更高的技术指标，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC，并且在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。基于直接数字频率合成技术DDS的函数信号发生器的优点：DDS具有极高的频率分辨率，极快的变频速度，变频相位连续，相位噪声较低，易于功能扩展和全数字化便于集成等。基于DDS技术的任意波形发生器不仅能实现高稳定度、高精度、高频率的要求，还具有体积小、价格便宜的特点，是一种很有发展前途的信号发生器。由晶体管、运放IC28 等组成函数信号发生器的优点：晶振产生的频率稳定性极高，用其进行设计可以对我们以前所学的模电及数电知识进行很好的巩固，同时选用差分放大器作为三角波—正弦波的变换电路，可以帮助我们学习多级电路的调试技术。除此之外，，还可以锻炼我们参数选择及电路排版的能力。所以，虽然基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计与利用单片集成芯片MAX038和DDS技术的函数信号发生器的设计相比有一定的缺点，但是在此次设计中它仍然能够完成所有设计要求，而且另外两种方案都存在自身缺陷、价格贵等局限性。相比较而言，方案三最经济，而且更适合做毕业设计，所以我这次采用晶体管、运放IC等进行函数信号发生器的设计。28 第4章系统硬件设计4.1总的电路原理图根据设计总要求我先画出系统总体的原理框图，如图4.1所示。然后，依据每一部分的原理要求设计出总的电路图【12】，如图4.2所示。晶振电路CD4060分频器积分电路差分放大器音频调幅电路图4.1系统总体原理框图图4.2总的电路原理图28 4.2方波发生电路此次方波发生电路的设计是采用12MHz晶振通过CD4060集成芯片产生我们所需要的频率方波，方波发生电路原理图如图4.3所示。图4.3方波发生电路原理图4.2.1工作原理从原理图上可以看出我是先用一个晶振电路产生一个12MHz的时钟信号，时钟信号从11脚输入经过CD4060分频器后分出8种不同频率的方波信号。各引脚所对应的信号频率如下所示：通过晶振出来的每一个方波的频率都是很稳定的，实际值与理论值相差很小。一、晶振的基本原理：1、石英晶体振荡器的结构石英晶体振荡器【9】28 是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。为了防止Ag电极被氧化,一般在封装时充入N2。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。图4.4石英晶体结构示意图2、基本特性石英晶片之所以能做振荡电路是基于它的压电效应。从物理学中知道，若在石英晶体的两个电极上加一电场，会使晶体产生机械变形；反之，若在极板间施加机械压力，又会在相应的方向上产生电场，这种现象称为压电效应,如图4.5（a）所示。石英晶体在压力作用下产生形变，同时产生电极化，其极化强度与压力成正比，这种现象就称“正压电效应”，如图4.5（b）所示。反之，在电场作用下,晶体产生形变,其形变大小与电场强度成正比，这种现象称“逆压电效应”，如图4.5（b）所示。如在极板间所加的是交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电压。一般来说，这种机械振动的振幅是比较小的，其振动频率则是很稳定的。但当外加交变电压的频率与晶片的固有频率（决定于晶片的尺寸）相等时，机械振动的幅度将急剧增加，这种现象称为压电谐振，因此石英晶体又称为石英晶体振荡器。(a)压电效应(b)正压电效应(c)逆压电效应图4.5晶振的基本特性28 3、符号与等效电路石英晶体的压电谐振现象可以用图4.6（b）所示的电路模型来表示。等效电路中的C0为切片与金属板构成的静电电容，L和C分别模拟晶体的质量（代表惯性）和弹性，而晶片振动时，因摩擦而造成的损耗则用电阻R来等效。石英晶体的一个可贵的特点在于它具有很高的质量与弹性的比值（等效于L/C），因而它的品质因数Q处于高达10000~500000的范围内。图4.6为石英晶体的代表符号、等效电路和电抗特性。（a）代表符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性图4.6石英晶体的电路模型与电抗特性4、谐振频率由电路模型可知，石英晶体有两个谐振频率，即（1）当R、L、C支路发生串联谐振时，其串联谐振频率为（4-1）由于C0很小，它的容抗比R大得多，因此，串联谐振的等效阻抗近似为R，呈纯阻性，且其阻值很小。（2）当时，R、L、C支路呈感性，当与C0发生并联谐振时，其振荡频率为（4-2）由于C<τ，-vo增大，直到-Vo=+Vom，即运放输出电压的最大值Vom受直流电源电压的限制，致使运放达到饱和，输出电压保持不变而停止积分。-voτVomttOiViviOiVi(a)输入电压信号vi波形(b)输出电压vo波形图4.11积分电路的阶跃响应4.3.2元件选择与作用上述的工作原理是在理想情况下发生的，在实际的运用过程中由于运算放大器固有的失调电流、失调电压、偏置电流及温度漂移等参数的影响,当输入为零时,输出电压不为零,即存在“漂移”现象。只要这种失调和温漂存在,不论它多么小,经过足够长的时间后,都将使积分器的输出达到饱和,使其无法正常工作。针对这种现象我采用了如图4.12所示近似积分电路来代替积分电路。反馈电阻R2的存在为缓慢变化的积分漂移电压构成了反馈通路，因为在实际情况下还是会有电流对电容C进行充电。当电容充满电后如果没有电阻形成通路就没办法放电，就无法产生标准的三角波。这种方法可以有效地抑制积分漂移。由以上分析,近似积分环节对积分漂移的抑制十分明显，它能使工作点稳定，给调试和使用带来极大的方便；在合理选择电路参数的前提下，可使近似积分的误差完全满足设计要求。图4.12近似积分器如图4.9中的C9~C17是根据不同频率的输入方波信号取值的，可以进行不同频率波段的转换。28 4.4正弦波转换电路三角波—正弦波转换电路如图4.13所示：图4.13三角波—正弦波转换电路图4.4.1工作原理差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为：，（4-8）式中I0——差分放大器的恒定电流；UT——温度的电压当量，当室温为25℃时，UT≈26mV。如果Uid为三角波，设表达式为（4-9）式中Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，如图4.14所示可知：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；28 （2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。图4.14三角波—正弦波波形转换差分放大电路的下面一部分是一个镜像恒流源，给差分放大器提供一个恒定的电流。4.4.2元件选择与作用三角波—正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C5、C6、C8要取得较大，因为输出频率很低，取C5=C6=C8=470μF。滤波电容C7视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C7可取得较小，C7一般为几十皮法至0.1微法。R8=4.7k与R11=5k相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整R11及电阻R12确定。4.5音频调幅和滤波电路4.5.1工作原理1、音频调幅电路音频调幅电路【15】【16】是本次设计的附加功能，电路原理图如图4.15所示。通过差分放大电路转换后产生的正弦信号给扬声器，通过对可变电阻R16的调节来实现对音频的幅度调节，电容C18是用来隔直流的，因为扬声器是在交流电下工作的。28 图4.15音频调幅电路图2、滤波电路电路中输入的正负电压含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，在做实际运行时可以起到防止干扰电路的作用。如图4.16所示为滤波电路原理图，一般是由两个一大一小的电容组成。图4.16滤波电路图4.6电路仿真电路原理图设计完毕后，通过Proteus7.5软件对其在理论上的准确性进行了验证。如图4.17所示为电路仿真图：图4.17电路仿真图由于CD4060在Proteus7.5软件中没有，所以无法进行第一部分方波产生的仿真，我是直接输入了一个频率为500Hz，幅度为12V的脉冲信号给积分器后产生三角波和正弦波。仿真结果如4.18所示，黄色线为输入的方波信号，蓝色是方波转换后的三角波，红色是通过差分放大器产生的正弦波，绿色为音频调幅的波形。调节R6可以改变三角波的幅度大小，当幅度增加的一定时运放达到饱和停止积分，三角波会产生失真。调节R13可以调整积分曲线的弧度，当阻值达到一定时就能够输出一个标准的三角波。调节R7可以改变正弦波的幅度，实现其幅度可调的功能。28 图4.18仿真结果图28 第5章调试结果分析5.1电路的安装与调试5.1.1PCB制板用Protel99SE完成原理图【13】后对其进行了PCB图的设计，在此过程中遇到了很多问题。比如：不知道选择哪种器件的封装形式，在布线时出现了很多交叉线等等。之后，在老师的帮助问题得以一一解决。5.1.2电路板的焊接与调试一、焊接【14】电路板制作完成后，接下来进行元器件的焊接。焊接时应注意的地方有：1、金属表面必须清洁干净。2、当将焊锡加热到一预热的导线和线路板表面时，加到该焊接点的热量必须足够熔化焊锡。3、烙铁头不能过热，选25w左右的电烙铁为宜。4、焊接某点时，时间勿要过长，否则将损坏铜箔；时间也不能过短，造成虚焊。操作速度要适当，焊得牢固。5、为确保连接的永久性，不能使用酸性的焊药和焊膏，应用松香或松脂焊剂。二、调试接通电源后，把CD4060的Q14脚出来的方波信号接入积分器。调节R6可以改变三角波的幅度值，调节R13改善三角波的波形使其满足设计指标要求。三角波转正弦波电路调试，用示波器【11】观察TP3输出的波形是否接近正弦波，调整C7改善波形。如果TP3的波形出现如图5.1所示的几种正弦失真，则应该调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施如下：钟形失真：如图5.1（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小R8。半波圆顶或平顶失真：如图5.1（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R12。非线性失真：如图5.1（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响，可在输出端加滤波网络改善输出波形。（a）钟形失真（b）平顶失真（c）非线性失真图5.1几种正弦波失真28 在调试过程中遇到了很多的问题：刚开始三角波出不来，经过一步步对电路的测量和校对后发现在方波到进入积分器的一条线没有连接；由于实验室器件有限，在积分器中的一个没有对应值的电容，起初认为不会影响电路所以没有焊接进去，后来发现三角波一直调不到标准，之后我找了相近两个电容并联后接入电路中达到了设计要求。在调试音频调幅电路时，由于我没有加入功率放大电路所以带动不了扬声器运作，所以我只查看功能的可行性。5.1.3本设计实物制作图5.2设计电路实物这是本次毕业设计的实物。经过此次设计，使我对函数信号发生器有了更加深入的了解，更加深刻学习对模电的相关知识。5.2调试结果5.2.1方波产生电路图5.3实际电路的方波输出如图5.3所示为实际电路中由晶振产生12MHz频率的脉冲信号，然后通过CD4060分频后从Q14出来的方波信号，其幅度为12.4V，频率为729.9Hz，占空比为50%。实现了方波的频率可调，且失真度控制在了1%以内，基本达到了本次毕业设计的设计要求。但是由于晶振的出来的信号幅度是一定的，没有办法实现可调。28 5.2.2三角波发生电路图5.4实际电路的三角波输出图如图5.4所示为实际电路中上述频率的方波信号经过积分器后所产生的三角波。通过对变阻R6的调节可以实现幅度大小的改变，R13可以改善波形的输出。5.2.2三角波—正弦波转换电路图5.5实际电路的正弦波输出如图5.5所示为三角波经过差分放大电路后所产生的正弦波。由于这次设计是利用差分放大电路传输特性的非线性区来实现的，就是说在三角波在线性区保持原有形状，但当工作在非线性区时产生了失真，三角被磨平滑从而产生了正弦波，所以失真度比较大，对此没有办法控制在1%以内。调节R7可以实现对幅度的可调，通过改变C7的大小改善其输出波形。28 小结众所周知，函数信号发生器有很多用途且在很多方面得到广泛应用，而作为一个电信专业的毕业生更要对它有深刻的了解，所以进行函数信号发生器的设计有着十分重要的意义。经过本次设计，我收获了很多东西，从中学习到了函数信号发生器的多种不同设计方案，并详细掌握了其工作原理。在本次设计中我选择了一个比较符合自己设计的方案，即采用晶体管、运放IC进行函数信号发生器的设计。用此方案进行设计可以对我们以前所学的模电及数电知识进行很好的巩固，帮助我们学习多级电路的调试技术。但是它是采用分立元件设计组成的，其工作不太稳定，且不易调试。随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。毕业设计是培养学生综合运用所学知识发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次毕业设计，至今我仍感慨颇多。从选题到定稿，从理论到实践，可以说是苦多于甜，但是可以也收获了很多很多的的东西。不仅可以巩固以前所学过的知识，还学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过毕业设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。与此同时，我也看到了自己身上的不足。在设计初期，我开始设计的电路过于简单，不能满足设计的要求，这是我平时在学习时不深入的反映，平时也很少自主的进行电路设计方面的学习和训练。在电路调试阶段，多次出现异常现象，在导师和同学的悉心指导下故障才得以排除，以后要加强这方面知识的学习，提高自己在电路故障方面的分析能力。总之，短短几个月的毕业设计使我受益匪浅，它不仅增强了我分析问题、解决问题的能力，而且还提高了我的实际动手能力。它们是我在设计过程中得到的宝贵财富，会使我终身受益。28 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附录1整体设计原理图28 附录2PCB图28