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標題: 高頻電子線路-XR2206函數信號發生器設計與實現 [打印本頁]
作者: 1066489107    時間: 2020-2-24 12:04
標題: 高頻電子線路-XR2206函數信號發生器設計與實現
電壓范圍: 9 -12v直流輸入；波形:方波、正弦和三角形；阻抗: 600歐姆+ 10 %；頻率: 1hz - 1 MHz

正弦波--幅度: 0 -3v，在9v的直流輸入；失真:不到1 % ；平整度: + 0.05db±1hz - 100 khz

方波--振幅: 8v(空載)，在9v直流輸入；上升時間:小于50ns ( 1千1千)；下降時間:小于30ns ( 1千1千)；對稱性:不到5 % 。三角波--幅度: 0 -3v，在9v的直流輸入；線性度:小于1 % (高達100 khz ) 10ma

（1）查閱文獻資料，對函數信號發生器的原理進行分析，計算各功能模塊電路的指標和參數，通過分析比較確定函數信號發生器的仿真方案；

（2）掌握各仿真元器件和虛擬儀器的用法，對各功能模塊電路進行深入的仿真和分析；

（3）對電路進行焊接和測量，與仿真測量數據進行比較和分析；

（4）對整機仿真電路進行級聯仿真和調試分析；（5）對整體硬件電路進行安裝調試并測試效果。   

函數發生器是一種多波形的信號源。它可以產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形。本設計利用XR2206芯片作為核心器件，在老師的幫助下，經過軟件和硬件測試，實現三種波形的轉換，進行幅度調節和頻率調節，并且可以將失真控制再1%以內。

1 設計要求

所有波形電壓范圍: 9 -12v直流輸入；波形:方波、正弦和三角形；阻抗: 600歐姆+ 10 %；頻率: 1hz - 1 MHz。

正弦波
幅度: 在9v的直流輸入時在0 -3v之間可調節；失真:不到1 % ；平整度: + 0.05db±1hz - 100 khz。

方波
振幅: 在9v直流輸入時達到8v(空載)；上升時間:小于50ns ( 1千1千)；下降時間:小于30ns ( 1千1千)；對稱性:不到5 % 。

三角波
幅度: 在9v的直流輸入時在0 -3v之間可調節；線性度:小于1 % (高達100 khz ) 10mA。


系統方案設計
2.1 函數發生器的組成框圖
2.1.1 硬件測試框圖

圖2.1.1  函數信號發生器硬件測試組成框圖

2.1.2 軟件測試框圖

圖2.1.2  函數信號發生器軟件測試組成框圖

函數發生器的實物組成框圖如圖2.1.1所示，包括直流電源輸入端、調節電路、XR2206電路、波形輸出端四個模塊組成。而由于XR2206芯片在Multisim軟件中很難設計，從而設計了另一種方案在Multisim軟件上進行函數發生器的實現，其框圖如圖2.1.2可見。
2.2 框圖分析
實物框圖的核心主要是由XR2206芯片為核心構成，而軟件框圖需要比較器，積分器，差分放大器構成，需要更多的元件。它們之間主要的的區別在于XR2206芯片內部結構高度集成，可以大大減少電路的復雜程度。


三  系統原理電路設計
3.1 硬件電路原理電路
3.1.1 硬件電路圖
整體電路如圖3.1.1所示。


圖3.1.1 硬件電路圖

3.1.2 電路組成器件
電路元件表如表3.1.1所示
表3.1.1 電路元件表
標號
種類
參數
備注
R1
電阻
1K

R2
可調電阻
B503

R3,R5,R6
電阻
5.1K

R4
電阻
330

R7
可調電阻
B503

R8
可調電阻
B104

C1
電解電容
100μF

C2
無極瓷片電容
104

C3,C4
電解電容
10μF

C5
無極瓷片電容
105

C6
無極瓷片電容
473

C7
無極瓷片電容
222

C8
無極瓷片電容
101

U1
IC
XR2206

JK1
電源接口


J1
2PIN 插針
XM2.54

J2
2PIN插針
XM2.54

P1
黑色接線端子


J3
2*5P插針


3.1.2 XR2206引腳圖及內部結構圖
XR2206引腳圖及內部結構圖如圖3.1.2所示。


圖3.1.2  XR2206引腳圖

XR2206內部結構圖如圖3.1.3所示。


圖3.1.3  XR2206內部結構圖
XR2206的引腳說明如表3.1.2所示。
表3.1.2 XR2206引腳說明表

引腳編號

引腳標號

類型

作用

1

AMSI

I

振幅調制信號輸入

2

STO

O

正弦波或三角波輸出

3

MO

O

乘法器輸出

4

VCC



電源端

5

TC1

I

壓控振蕩器定時電容端

6

TC2

I

壓控振蕩器定時電容端

7

TR1

O

外接定時電阻端

8

TC2

O

外接定時電阻端

9

FSKI

I

FSK 控制信號 輸入

10

BIAS

O

內部參考電壓

11

SYNCO

O

方波信號輸出端

12

GND



接地端

13

WAVEA1 I

I

波形調節輸入端1

14

WAVEA2

I

波形調節輸入端2

15

SYMA1

I

波形對稱調整端1

16

SYMA2

I

波形對稱調整端2


3.1.3 電路設計原理
XR2206是一種能夠產生高質量正弦信號的單片功能發生器集成電路，還可以產生具有高穩定性和高精度的方形、三角形、斜坡和脈沖波形。能夠生產高質量的，準確的正弦,方形、三角形、斜坡和脈沖波形。輸出波形的幅度和頻率是可以是由外部電壓調制的。操作頻率可在0.01Hz至1MHz的范圍內進行外部選擇。它具有一個典型的漂移規格。振蕩器的頻率可以通過外部控制電壓線性掃過2000：1的頻率范圍，同時保持低失真。
XR2206由四個功能塊組成：壓控振蕩器(VC0)，模擬乘法器和正弦波發生器，unity增益緩沖放大器，電流開關。
壓控振蕩器(VC0)產生一個與輸入電流成比例的輸出頻率，其中輸入電流通過定時端與接地端之間的電阻設定。在FSK發生器應用中，通過設置FSK輸入控制引腳，兩個定時引腳可以產生兩個獨立的輸出頻率。FSK輸入控制引腳通過控制電流開關來選擇一個定時電阻電流，并把這個電流灌人到壓控振蕩器VCO。XR2206可以通過連接在定時引腳7，8上的兩個獨立的定時電阻來單獨控制。引腳9上的上邏輯信號的極性決定了哪一個定時電阻被激活。如果引腳9開路或者接到≥2V的偏壓上，則只有引腳7上的定時電阻R1被激活。如果引腳9的電平≤lV，則只有引腳8上的定時電阻R2被激活。因此，輸出頻率可以被編程在兩個頻率f1=l／R1C和f2=l／R2C之間。輸出引腳2上的直流電平近似地與引腳3上的直流偏壓相同。引腳3被偏置在V和地之間的中間位置，輸出一個約V／2的直流電平。
3.1.4 電路計算
通過對引腳7電位計的調整可以得到期望的頻率，最大輸出振幅V+／2，典型波形失真<2.5％。通過外部調整電路，可以實現更小的波形失真，正弦波輸出的諧波含量可以降低至-0.5％。
(1)頻率設定
振蕩器的頻率f。由跨接在引腳5，6之間的外部定時電容C和接在引腳7或引腳8上的定時電阻R共同決定，頻率計算公式如下：

                                                              (3.2.1)

故頻率可以通過改變R或者C來改變。為了達到最佳的溫度穩定性，電阻R應該設置在4kΩ<R<200kΩ。推薦電容值為lO00pF到l00 F。
(2)頻率調節
振蕩器的頻率與流入引腳7或引腳8的總的定時電流It成比例：

                                         （3.2.2）

定時引腳7或引腳8是低阻抗點，它們在內部被偏置在+3V。頻率隨It線性變化，電流值It范圍很寬，可以從l μA到3mA。(注意：為了電路的安全運行，It應該限制在≤3mA)振蕩器的頻率可以通過一個外接在被激活的定時引腳上的控制電壓VC0n來控制，振蕩器的頻率與Vcon關系如下：

                             （3.2.3）

這里Vcon的單位是伏特(V)。故電壓一頻率轉換系數K為：

(3)輸出幅值調節
最大輸出幅值與連接到引腳3上的外部電阻R2成反比。對于正弦波輸出，R2增加1kΩ，輸出幅值約增加60mV。輸出幅值可以通過調節引腳1上的一個直流偏置信號來實現。引腳1的內部阻抗約為100kΩ。輸出幅值隨引腳1的偏置電壓線性變化。
3.1.5 PCB電路板
上述電路的PCB板電路圖如圖3.1.4所示

圖3.1.4  PCB電路圖


3.2 軟件電路原理電路
3.2.1 軟件電路圖
整體電路如圖3.2.1所示。

圖3.2.1 軟件仿真整體電路圖
3.2.2設計原理

由比較器和積分器組成方波—三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。

1） 方波發生電路的工作原理
工作電路如圖3.2.2所示，此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓則同相輸入端電位。通過對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，趨于；但是，一旦再稍增大，從躍變為,與此同時從躍變為。隨后，又通過對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，趨于；但是，一旦=,再減小，就從躍變為，從躍變為，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。


圖3.2.2 方波發生電路
2） 方波---三角波轉換電路的工作原理

圖3.2.3 方波-三角波轉換電路

         

圖3.2.4 比較器

工作原理如下：

如圖2.2.3所示，若a點斷開，運算發大器與、及、組成電壓比較器，為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即=0，同相輸入端接輸入電壓，稱為平衡電阻。比較器的輸出的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,當比較器的時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+Vcc,則

將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位-為

若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為

比較器的門限寬度

由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，a點斷開后，運放與、、及組成反相積分器，其輸入信號為方波，則積分器的輸出為

  時，


時，


可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環電路，則自動產生方波-三角波。

三角波的幅度為

方波-三角波的頻率f為

由以上兩式可以得到以下結論：

電位器在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用改變頻率的范圍，實現頻率微調。

方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。

電位器可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。

3. 三角波---正弦波轉換電路的工作原理

圖4 三角波-正弦波轉換電路

如圖4所示，三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。

差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：

式中

——差分放大器的恒定電流；

——溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，≈26mV。

如果為三角波，設表達式為

　　　　　　　

式中——三角波的幅度；

　     T——三角波的周期。

為使輸出波形更接近正弦波，由圖6可見：

傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；

三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。

圖5為實現三角波——正弦波變換的電路。其中調節三角波的幅度，調整電路的對稱性，其并聯電阻用來減小差分放大器的線性區。電容，，為隔直電容，為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。

              圖5 三角波-正弦波變換電路的仿真圖            

圖6 三角波-正弦波變換

4. 電路的參數選擇及計算

（1）方波-三角波中電容變化（關鍵性變化之一）

實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現。

（2）三角波-正弦波部分

比較器和積分器的元件計算如下。

由式（3-61）得

即

取，則，取，為47KΩ的點位器。區平衡電阻

由式


可知當時，取=10uF，則，取，為100KΩ電位器。當時，取C1=1uF以實現頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻R17為10千歐。

三角波—正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容、、要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。=100歐與=100歐姆相并聯，以減小差分放大器的線性區。差分放大器的幾靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整及電阻R*確定。

我們通過動手實踐操作，進一步學習和掌握了有關高頻原理的有關知識，特別是動手操作方面，加深了對函數發生器的認識，進一步鞏固了對高頻知識的理解，也對XR2206的基本工作原理和調試儀器有了一定的了解。在設計時我們根據課題要求，復習了相關的知識，還查閱了相當多的資料，這也在一定程度上拓寬了我們的視野，豐富了我們的知識。這次的高頻設計重點是通過實踐操作和理論相結合，提高動手實踐能力，提高科學的思維能力。在接觸設計之前，因為這門的難度很深度，我對高頻是敬而遠之的心態，所以基礎知識以及邏輯推理思維方面都是相當欠缺。在對高頻的實驗模塊操作方法所知甚少和對調試知識幾乎一無所知的程度


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作者: Dollyz    時間: 2020-12-29 22:50
有仿真好的文件嗎？
作者: bababibu    時間: 2021-6-28 09:04
好資料，51黑有你更精彩!!!
作者: zydl123    時間: 2022-9-15 09:52
本帖最后由 zydl123 于 2022-9-15 11:24 編輯

1MHz以下為低頻，說法不正確，加個單片機控制和LCD顯示才好
作者: coody_sz    時間: 2022-10-12 11:15
上世紀90年代初，現在好多的芯片那時基本都還沒有出現。當年做的第一個信號發生器，就是純硬件的，運放（積分+比較器）組成三角波-方波發生器，然后用三極管做三角波-正弦波轉換，頻率只能到200KHz，但是當年已經時很好的了，不像現在，隨便一個DDS芯片就可以到20MHz。
當年還做了頻率計，也是純數字電路實現，也只能到30MHz，現在隨便一做就是2.4GHz的。



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