函数信号发生器设计报告 2

函数信号发生器设计报告

一、设计要求

设计制作能产生正弦波、方波、三角波等多种波形信号输出的波形发生器，具体要求：

（1）输出波形工作频率范围为2HZ～200KHZ，且连续可调；

（2）输出频率分五档：低频档：2HZ～20HZ；中低频档：20HZ～200HZ；中频档：200HZ～2KHZ；中高频档：2KHZ～20KHZ；高频档：20KHZ～200KHZ。

（3）输出带LED指示。

二、设计的作用、目的

1. 掌握函数信号发生器工作原理。

2. 熟悉集成运放的使用。

3. 熟悉Multisim软件。

三、设计的具体实现

3.1函数发生器总方案

采用分立元件，设计出能够产生正弦波、方波、三角波信号的各个单元电路，利用Multisim仿真软件模拟，调试各个参数，完成单元电路的调试后连接起来，在正弦波产生电路中加入开关控制，选择不同档位的元件，达到输出频率可调的目的。

总原理图：

3.2单元电路设计、仿真

Ⅰ、RC桥式正弦波振荡电路

图1：正弦波发生电路

正弦波振荡器是在只有直流供电、不加外加输入信号的条件下产生正弦波信号的电路。

正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路四个部分。根据选频电路回路的不同，正弦波振荡器可分为RC正弦波振荡器、LC正弦波振荡器和石英晶体振荡器。其中，RC正弦波振荡器主要用于产生中低频正弦波，振荡频率一般小于1MHz，满足本次设计要求，故选用RC正弦波振荡器。

产生正弦振荡的条件:

确定R、C的值

为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻和输出电阻的影响，应使R满足下列关系式：>>R>>，一般约为几百千欧以上，仅为几百欧以上。故确定=10KΩ,针对不同档位设置不同的C：

当=20Hz时，由f=，其中R=10KΩ，得到C≈0.79μF；再将=2Hz，C≈0.79μF代入，得到R=99.5 KΩ,所以将电阻R接成由固定电阻=10 KΩ和120 KΩ的滑动变阻器串联形式，使电路变成频率由=2Hz到=20Hz可调的正弦波发生电路；

同理可以计算出20Hz～200Hz、200Hz～2kHz、2kHz～20kHz、20kHz～200kHz的R、C值。

确定、

RC选频网络对于频率f的放大倍数为F=1/3，而回路起振条件为>=1。

故放大电路的电压放大倍数A=(+)/>=3，即/>=2，取/=2。而=+//,其中，为二极管的正向动态电阻。实验证明，取≈时，既能够减少二极管特性的非线性而引起的波形失真，又能起一定的稳幅作用，取=5.1KΩ，=24 KΩ，=45.5 KΩ。

Multisim仿真电路与结果：

Ⅱ.方波发生电路

从一般原理来分析,可以在滞回比较器电路的基础上,靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路,由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态，高电平或低电平，两种不同的输出电平式RC电路进行充电和放电，于是电容上的电压降升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变成放电过程或相反，如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。

Multisim仿真电路与结果：

Ⅲ.三角波发生电路

在产生方波之后，输入到一个积分电路便可得到三角波。

图中滞回比较器的输出电压=±，他的输入电压时积分电路的输出电压，根据叠加原理，集成运放同相输入端电位

令，则阈值电压

因此，滞回比较器的电压传输特性如图所示。

积分电路的输入电压时滞回比较器的输出电压,而且不是+,就是-,所以输出电压的表达式为

式中为初态时的输出电压。设初态时正好从-跃变为+，则上式应写成

积分电路反向积分，随时间的增长线性下降，根据图2的电压传输特性一旦，再稍减小，将从+跃变为-。使得上式变为

为产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，随时间的增长线性增大，根据图2的电压输出特性，一旦，再稍增大，将从- 跃变为+ ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自激震振荡。

由以上分析可知，是三角波，幅值为±；

是方波，幅值为± ，如图所示，因此也可称图所示电路为三角波—方波发生电路。由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。

Multisim仿真电路与结果：

3.3总电路图

四、心得体会及建议

本课设根据设计中要实现的功能，经过认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过课设报告的书写，进一步锻炼了文字表达能力和对工作的认真态度。在设计中遇到了一些实际困难，通过自己与同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的点拨，终于豁然开，感受到了完成作品时那种学以致用的成就感，并且加深了对老师课上内容的理解。

五、附录

六、参考文献

第二篇：信号发生器实验报告

1系统方案... 4

1.1系统方案论证与选择... 4

1.2方案描述... 4

2理论分析与计算... 5

3电路与程序设计... 6

3.1电路的设计... 6

3.1.1 ICL8038模块电路... 6

3.1.2 放大电路... 6

3.2程序的设计... 7

4测试方案与测试结果... 9

4.1测试仪器与结果... 9

4.2调试出现的问题及解决方案... 9

5 小结... 10

摘要

本系统设计的是信号发生器，是以 ICL8038和 STC89C51为核心设计的数控及扫频函数信号发生器。ICL8038作为函数信号源结合外围电路产生占空比和频率可调的正弦波、方波、三角波；该函数信号发生器的频率可调范围1~100kHz，波形稳定，无明显失真。单片机控制LCD12864液晶显示频率、频段和波形名称。

关键字：信号发生器ICL8038、 STC89C51、波形、LCD12864
信号发生器实验报告

1系统方案

1.1系统方案论证与选择

方案一：由单片机内部产生波形，经DAC0832输出，然后再经过uA741放大信号后，最后经过CD4046和CD4518组成的锁相环放大频率输出波形，可是输出的波形频率太低，达不到设计要求。

方案二：采用单片机对信号发生器MAX038芯片进行程序控制的函数发生器，该发生器有正弦波、三角波和方波信号三种波形，输出信号频率在0.1Hz~100MHz范围内。MAX038为核心构成硬件电路能自动地反馈控制输出频率，通过按键选择波形，调节频率，可是MAX038芯片价格太高，过于昂贵。

方案三：利用芯片ICL8038产生正弦波、方波和三角波三种波形，根据电阻和电容的不同可以调节波形的频率和占空比，产生的波形频率足够大，能达到设计要求，而且ICL8038价格比较便宜，设计起来成本较低。

综上所述，所以选择第三个方案来设计信号发生器。

1.2方案描述

本次设计方案是由ICL8038芯片和外围电路产生三种波形，由公式：，改变电阻和电容的大小可以改变波形的频率，有开关控制频段和波形并给单片机一个信号，由单片机识别并在LCD液晶屏上显示，电路的系统法案框图为下图1所示：

图1 总系统框图

2理论分析与计算

如图2，占空比和频率调节电路：

图2 占空比和频率调节电路

所有波形的对称性都可以通过调节外部定时电阻来调节。如图2所示，RA、RB是外部定时电阻。最好是保持RA和RB的独立性，然后用RA来控制三角波、正弦波的上升部分和方波的状态。

三角波的幅度设置在1/3V_SUPPLY,因此，三角波的上升部分是：

另一部分三角波、正弦波和方波的状态是：

则由此两部分可得到波形的频率为：

通过改变RA和RB的阻值即可以改变t1,t2的值，从而调节方波的占空比。

当RA=RB=R时,频率f为：

RA和RB的阻值为10k,由于ICL8038的频率范围是0.001Hz~300kHz之间，因此，当电容值选取C=100pF时，此时最大输出频率就可以达到300kHz的要求。

3电路与程序设计

3.1电路的设计

3.1.1 ICL8038模块电路

如图3，此电路主要由ICL8038产生三种波形，在此电路中可以调节波形的频段、频率和占空比，还可以调节正弦波的失真度。

图3 ICL8038模块电路

3.1.2 放大电路

如下图4放大电路所示，此电路主要是放大波形的幅度,在输出端加一个0.22uF电容起到滤波的作用。

图4 放大电路

3.2程序的设计

1. 总流程图如下图5所示：

2.显示程序流程图如下图6所示：

图6 显示程序

4测试方案与测试结果

4.1测试仪器与结果

测试仪器：稳压电源、示波器

测试结果：

表1 正弦波在不同电容下不失真频段

表2 各波形不失真最大频率

表3 输出信号波形及电压大小测量

4.2调试出现的问题及解决方案

1. 不能实现自动控制

刚开始时设计时，考虑用CD4066模拟开关来控制接入电容的大小来调节频段，当单片机给模拟开关一个高电平时，模拟开关闭合，可是当单片机给他一个低电平时，却不能完全关闭模拟开关，不能实现单片机的自动控制，所以我们就用机械开关控制接入的电容，并由此给单片机一个信号是单片机识别波形、频段，并能准确读出输出的频率。

2. 干扰大

刚开始做PCB板子的时候为了方便，把每个电路都画在了一个板子上，结果各电路之间影响特别大，输出的波形干扰也特别大，不能输出一个很干净的波形，左后解决办法是把每个电路模块化，分别做出来，这样每个电路也比较简单，不容易出错，这样也更清晰明确。

5 小结

经过几天多终于完成了我们的信号发生器的设计，虽然没有完全达到设计要求，但从心底里说，还是高兴的，毕竟这次设计把实物都做了出来。在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计真的让我长进了很多，单片机软件的算法，需要有很巧妙的程序算法，又认识到自己有很多不足。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，这就是我在这次课程设计中的最大收获。

本次设计是三个人一组，让我们认识到团队合作是非常重要的。这次的设计更好的培养了我们的团队协作精神，便于我们走到工作岗位后能很快适应工作环境，是我们一生珍贵的财富