标题: 高频电子线路-XR2206函数信号发生器设计与实现 [打印本页]
作者: 1066489107    时间: 2020-2-24 12:04
标题: 高频电子线路-XR2206函数信号发生器设计与实现
电压范围: 9 -12v直流输入；波形:方波、正弦和三角形；阻抗: 600欧姆+ 10 %；频率: 1hz - 1 MHz

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

方波--振幅: 8v(空载)，在9v直流输入；上升时间:小于50ns ( 1千1千)；下降时间:小于30ns ( 1千1千)；对称性:不到5 % 。三角波--幅度: 0 -3v，在9v的直流输入；线性度:小于1 % (高达100 khz ) 10ma

（1）查阅文献资料，对函数信号发生器的原理进行分析，计算各功能模块电路的指标和参数，通过分析比较确定函数信号发生器的仿真方案；

（2）掌握各仿真元器件和虚拟仪器的用法，对各功能模块电路进行深入的仿真和分析；

（3）对电路进行焊接和测量，与仿真测量数据进行比较和分析；

（4）对整机仿真电路进行级联仿真和调试分析；（5）对整体硬件电路进行安装调试并测试效果。   

函数发生器是一种多波形的信号源。它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。本设计利用XR2206芯片作为核心器件，在老师的帮助下，经过软件和硬件测试，实现三种波形的转换，进行幅度调节和频率调节，并且可以将失真控制再1%以内。

1 设计要求

所有波形电压范围: 9 -12v直流输入；波形:方波、正弦和三角形；阻抗: 600欧姆+ 10 %；频率: 1hz - 1 MHz。

正弦波
幅度: 在9v的直流输入时在0 -3v之间可调节；失真:不到1 % ；平整度: + 0.05db±1hz - 100 khz。

方波
振幅: 在9v直流输入时达到8v(空载)；上升时间:小于50ns ( 1千1千)；下降时间:小于30ns ( 1千1千)；对称性:不到5 % 。

三角波
幅度: 在9v的直流输入时在0 -3v之间可调节；线性度:小于1 % (高达100 khz ) 10mA。


系统方案设计
2.1 函数发生器的组成框图
2.1.1 硬件测试框图

图2.1.1  函数信号发生器硬件测试组成框图

2.1.2 软件测试框图

图2.1.2  函数信号发生器软件测试组成框图

函数发生器的实物组成框图如图2.1.1所示，包括直流电源输入端、调节电路、XR2206电路、波形输出端四个模块组成。而由于XR2206芯片在Multisim软件中很难设计，从而设计了另一种方案在Multisim软件上进行函数发生器的实现，其框图如图2.1.2可见。
2.2 框图分析
实物框图的核心主要是由XR2206芯片为核心构成，而软件框图需要比较器，积分器，差分放大器构成，需要更多的元件。它们之间主要的的区别在于XR2206芯片内部结构高度集成，可以大大减少电路的复杂程度。


三  系统原理电路设计
3.1 硬件电路原理电路
3.1.1 硬件电路图
整体电路如图3.1.1所示。


图3.1.1 硬件电路图

3.1.2 电路组成器件
电路元件表如表3.1.1所示
表3.1.1 电路元件表
标号
种类
参数
备注
R1
电阻
1K

R2
可调电阻
B503

R3,R5,R6
电阻
5.1K

R4
电阻
330

R7
可调电阻
B503

R8
可调电阻
B104

C1
电解电容
100μF

C2
无极瓷片电容
104

C3,C4
电解电容
10μF

C5
无极瓷片电容
105

C6
无极瓷片电容
473

C7
无极瓷片电容
222

C8
无极瓷片电容
101

U1
IC
XR2206

JK1
电源接口


J1
2PIN 插针
XM2.54

J2
2PIN插针
XM2.54

P1
黑色接线端子


J3
2*5P插针


3.1.2 XR2206引脚图及内部结构图
XR2206引脚图及内部结构图如图3.1.2所示。


图3.1.2  XR2206引脚图

XR2206内部结构图如图3.1.3所示。


图3.1.3  XR2206内部结构图
XR2206的引脚说明如表3.1.2所示。
表3.1.2 XR2206引脚说明表

引脚编号

引脚标号

类型

作用

1

AMSI

I

振幅调制信号输入

2

STO

O

正弦波或三角波输出

3

MO

O

乘法器输出

4

VCC



电源端

5

TC1

I

压控振荡器定时电容端

6

TC2

I

压控振荡器定时电容端

7

TR1

O

外接定时电阻端

8

TC2

O

外接定时电阻端

9

FSKI

I

FSK 控制信号 输入

10

BIAS

O

内部参考电压

11

SYNCO

O

方波信号输出端

12

GND



接地端

13

WAVEA1 I

I

波形调节输入端1

14

WAVEA2

I

波形调节输入端2

15

SYMA1

I

波形对称调整端1

16

SYMA2

I

波形对称调整端2


3.1.3 电路设计原理
XR2206是一种能够产生高质量正弦信号的单片功能发生器集成电路，还可以产生具有高稳定性和高精度的方形、三角形、斜坡和脉冲波形。能够生产高质量的，准确的正弦,方形、三角形、斜坡和脉冲波形。输出波形的幅度和频率是可以是由外部电压调制的。操作频率可在0.01Hz至1MHz的范围内进行外部选择。它具有一个典型的漂移规格。振荡器的频率可以通过外部控制电压线性扫过2000：1的频率范围，同时保持低失真。
XR2206由四个功能块组成：压控振荡器(VC0)，模拟乘法器和正弦波发生器，unity增益缓冲放大器，电流开关。
压控振荡器(VC0)产生一个与输入电流成比例的输出频率，其中输入电流通过定时端与接地端之间的电阻设定。在FSK发生器应用中，通过设置FSK输入控制引脚，两个定时引脚可以产生两个独立的输出频率。FSK输入控制引脚通过控制电流开关来选择一个定时电阻电流，并把这个电流灌人到压控振荡器VCO。XR2206可以通过连接在定时引脚7，8上的两个独立的定时电阻来单独控制。引脚9上的上逻辑信号的极性决定了哪一个定时电阻被激活。如果引脚9开路或者接到≥2V的偏压上，则只有引脚7上的定时电阻R1被激活。如果引脚9的电平≤lV，则只有引脚8上的定时电阻R2被激活。因此，输出频率可以被编程在两个频率f1=l／R1C和f2=l／R2C之间。输出引脚2上的直流电平近似地与引脚3上的直流偏压相同。引脚3被偏置在V和地之间的中间位置，输出一个约V／2的直流电平。
3.1.4 电路计算
通过对引脚7电位计的调整可以得到期望的频率，最大输出振幅V+／2，典型波形失真<2.5％。通过外部调整电路，可以实现更小的波形失真，正弦波输出的谐波含量可以降低至-0.5％。
(1)频率设定
振荡器的频率f。由跨接在引脚5，6之间的外部定时电容C和接在引脚7或引脚8上的定时电阻R共同决定，频率计算公式如下：

                                                              (3.2.1)

故频率可以通过改变R或者C来改变。为了达到最佳的温度稳定性，电阻R应该设置在4kΩ<R<200kΩ。推荐电容值为lO00pF到l00 F。
(2)频率调节
振荡器的频率与流入引脚7或引脚8的总的定时电流It成比例：

                                         （3.2.2）

定时引脚7或引脚8是低阻抗点，它们在内部被偏置在+3V。频率随It线性变化，电流值It范围很宽，可以从l μA到3mA。(注意：为了电路的安全运行，It应该限制在≤3mA)振荡器的频率可以通过一个外接在被激活的定时引脚上的控制电压VC0n来控制，振荡器的频率与Vcon关系如下：

                             （3.2.3）

这里Vcon的单位是伏特(V)。故电压一频率转换系数K为：

(3)输出幅值调节
最大输出幅值与连接到引脚3上的外部电阻R2成反比。对于正弦波输出，R2增加1kΩ，输出幅值约增加60mV。输出幅值可以通过调节引脚1上的一个直流偏置信号来实现。引脚1的内部阻抗约为100kΩ。输出幅值随引脚1的偏置电压线性变化。
3.1.5 PCB电路板
上述电路的PCB板电路图如图3.1.4所示

图3.1.4  PCB电路图


3.2 软件电路原理电路
3.2.1 软件电路图
整体电路如图3.2.1所示。

图3.2.1 软件仿真整体电路图
3.2.2设计原理

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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时，可以有效地抑制零点漂移，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。

1） 方波发生电路的工作原理
工作电路如图3.2.2所示，此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压则同相输入端电位。通过对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，趋于；但是，一旦再稍增大，从跃变为,与此同时从跃变为。随后，又通过对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，趋于；但是，一旦=,再减小，就从跃变为，从跃变为，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。


图3.2.2 方波发生电路
2） 方波---三角波转换电路的工作原理

图3.2.3 方波-三角波转换电路

         

图3.2.4 比较器

工作原理如下：

如图2.2.3所示，若a点断开，运算发大器与、及、组成电压比较器，为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即=0，同相输入端接输入电压，称为平衡电阻。比较器的输出的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位-为

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为

比较器的门限宽度

由以上公式可得比较器的电压传输特性，a点断开后，运放与、、及组成反相积分器，其输入信号为方波，则积分器的输出为

  时，


时，


可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。

三角波的幅度为

方波-三角波的频率f为

由以上两式可以得到以下结论：

电位器在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用改变频率的范围，实现频率微调。

方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。

电位器可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

3. 三角波---正弦波转换电路的工作原理

图4 三角波-正弦波转换电路

如图4所示，三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

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：

式中

——差分放大器的恒定电流；

——温度的电压当量，当室温为25oc时，≈26mV。

如果为三角波，设表达式为

　　　　　　　

式中——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，由图6可见：

传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

图5为实现三角波——正弦波变换的电路。其中调节三角波的幅度，调整电路的对称性，其并联电阻用来减小差分放大器的线性区。电容，，为隔直电容，为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

              图5 三角波-正弦波变换电路的仿真图            

图6 三角波-正弦波变换

4. 电路的参数选择及计算

（1）方波-三角波中电容变化（关键性变化之一）

实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

（2）三角波-正弦波部分

比较器和积分器的元件计算如下。

由式（3-61）得

即

取，则，取，为47KΩ的点位器。区平衡电阻

由式


可知当时，取=10uF，则，取，为100KΩ电位器。当时，取C1=1uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R17为10千欧。

三角波—正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容、、要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。=100欧与=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整及电阻R*确定。

我们通过动手实践操作，进一步学习和掌握了有关高频原理的有关知识，特别是动手操作方面，加深了对函数发生器的认识，进一步巩固了对高频知识的理解，也对XR2206的基本工作原理和调试仪器有了一定的了解。在设计时我们根据课题要求，复习了相关的知识，还查阅了相当多的资料，这也在一定程度上拓宽了我们的视野，丰富了我们的知识。这次的高频设计重点是通过实践操作和理论相结合，提高动手实践能力，提高科学的思维能力。在接触设计之前，因为这门的难度很深度，我对高频是敬而远之的心态，所以基础知识以及逻辑推理思维方面都是相当欠缺。在对高频的实验模块操作方法所知甚少和对调试知识几乎一无所知的程度


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

1MHz以下为低频，说法不正确，加个单片机控制和LCD显示才好
作者: coody_sz    时间: 2022-10-12 11:15
上世纪90年代初，现在好多的芯片那时基本都还没有出现。当年做的第一个信号发生器，就是纯硬件的，运放（积分+比较器）组成三角波-方波发生器，然后用三极管做三角波-正弦波转换，频率只能到200KHz，但是当年已经时很好的了，不像现在，随便一个DDS芯片就可以到20MHz。
当年还做了频率计，也是纯数字电路实现，也只能到30MHz，现在随便一做就是2.4GHz的。



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