函数信号发生器设计实验报告（大学物理实验,二踪示波器设计性实验报告的小论文）

本文目录

• 大学物理实验,二踪示波器设计性实验报告的小论文
• 设计和制作一函数信号发生器
• 电路与电子技术实验

大学物理实验,二踪示波器设计性实验报告的小论文

实验目的与要求：
（1） 了解示波器的工作原理
（2） 学习使用示波器观察各种信号波形
（3） 用示波器测量信号的电压、频率和相位差
主要仪器设备：
YB4320G 双踪示波器， EE1641B型函数信号发生YB4320G 双踪示波器， EE1641B型函数信号发生器
器
实验原理和内容：
1. 示波器基本结构
示波器主要由示波管、放大和衰减系统、触发扫描系统和电源四部分组成， 其中示波管是核心部分。
示波管的基本结构如下图所示， 主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成， 由外部玻璃外壳密封在真空环境中。
电子枪的作用是释放并加速电子束。 其中第一阳极称为聚焦阳极， 第二阳极称为加速阳极。 通过调节两者的共同作用， 可以使电子束打到荧光屏上产生明亮清晰的圆点。
偏转系统由X、Y两对偏转板组成， 通过在板上加电压来使电子束偏转， 从而对应地改变屏上亮点的位置。
荧光屏上涂有荧光粉， 电子打上去时能够发光形成光斑。 不同荧光粉的发光颜色与余辉时间都不同。
放大和衰减系统用于对不同大小的输入信号进行适当的缩放， 使其幅度适合于观测。
扫描系统的作用是产生锯齿波扫描电压(如左上图所示)， 使电子束在其作用下匀速地在荧光屏周期性地自左向右运动， 这一过程称为扫描。 扫描开始的时间由触发系统控制。
2. 示波器的显示波形的原理
如果只在竖直偏转板加上交变电压而X偏转板上五点也是， 电子束在竖直方向上来回运动而形成一条亮线， 如左图所示：
如果在Y偏转板和X偏转板上同时分别加载正弦电压和锯齿波电压， 电子受水平竖直两个方向的合理作用下， 进行正弦震荡和水平扫描的合成运动， 在两电压周期相等时， 荧光屏上能够显示出完整周期的正弦电压波形， 显像原理如右图所示：
3. 扫描同步
为了完整地显示外界输入信号的周期波形， 需要调节扫描周期使其与外界信号周期相同或成合适的关系。 当某些因素改变致使周期发生变化时，使用扫描同步功能， 能够使扫描起点自动跟踪外界信号变化， 从而稳定地显示波形。
步骤与操作方法：
1. 示波器测量信号的电压和频率
对于一个稳定显示的正弦电压波形， 电压和频率可以由以下方法读出
，
其中a为垂直偏转因数（电压偏转因数）（从示波器面板的衰减器开关上可以直接读出）单位为V/div或mV/div； h为输入信号的峰-峰高度， 单位div； b为扫描时间系数， 从主扫描时间系数选择开关上可以直接读出， 单位s/div、ms/div或μs/div； l为输入信号的单个周期宽度， 单位div。
（1） 打开电源开关并切换到DC档， 拨动垂直工作方式开关，选择未知信号所在的通道。
（2） 通过调节“扫描时间系数选择开关”和“垂直偏转系数开关”， 以及它们对应的微调开关， 使未知信号图形的高度和波形个数便与测量。 同时在开关上读出计算所需的a、b值。
（3） 调节“垂直位移”与“水平位移”旋钮，利用荧光屏上的刻度读取l、h值， 并记录。
2. 用示波器直接观察半波和全波整流波形
（1） 将实验室提供的未知信号分别接到整流电路的AB端， CD端送入示波器的CH1或CH2端。
通过调节“扫描时间系数选择开关”和“垂直偏转系数开关”是信号显示在屏内， 分别观察整流后的波形， 并

设计和制作一函数信号发生器

基于ICL8038函数信号发生器的设计本设计是以ICL8038 和AT89C2051 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幅度可调的正弦波、方波、三角波; 该函数信号发生器的频率可调范围为1~100kHz, 步进为0.1kHz, 波形稳定, 无明显失真。
1.系统设计框图如图1 为系统设计框图。本设计是利用键盘设置相应的频率值, 根据所设置频率段选择相应电容, 经计算获得相应数字量送数字电位器实现D/A 转换, 同时与参考电压( 本例为5.5V) 相加后形成数控调压去控制ICL8038 第8 脚, 这样即可由ICL8038 实现对应频率值的矩形波、三角波和正弦波。方波幅度经衰减后送单片机可测得信号源频率并由数码管显示。
2.电路原理图
图2 为电路原理图。其中AT89C2051 是8 位单片机, 其中: P1.4~P1.7、P1.2、P1.3、P3.0、P3.1 作为数
码显示; P3.3、P3.5 、P3.7 作为键盘输入口; P3.4 作为计数口, 用于测量信号源频率;P3.0~P3.2 作为数字电位器的SPI总线; P1.1、P1.0 可根据需要扩展继电器或模拟开关选择ICL8038第10 脚( CAP) 与第11 脚间的电容C。
MCP41010 是8 位字长的数字电位器, 采用三总线SPI 接口。/CS: 片选信号, 低电平有效; SCK:时钟信号输入端; SI: 串行数据输入端, 用于寄存器的选择及数据输入。MCP41010 可作为数字电位器, 也可以作为D/A 转换器, 本设计是将MCP41010 接成8 位字长的D/A 转换器, MCP41010 根据输入的串行数据, 对基准电压进行分压后由中间抽头输出模拟电压, 即VPWO =DN/256VREF ( 式中VREF=5V) 。
函数发生电路ICL8038, 图2所示是一个占空比和一个频率连续可调的函数发生电路。ICL8038是一种函数发生器集成块, 通过外围电路的设计, 可以产生高精密度的正弦波、方波、三角波信号, 选择不同参数的外电阻和电容等器件, 可以获得频率在0.01Hz~300kHz 范围内的信号。通过调节RW2 可使占空比在2%~98%可调。第10 脚( CAP) 与第11 脚间的电容C 起到很重要的作用, 它的大小决定了输出信号频率的大小, 当C 确定后, 调节ICL8038 第8 脚的电压可改变信号源的输出频率。从ICL8038 引脚9(要接上拉电阻)输出的波形经衰减后送单片机P3.4 进行频率测量。
正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性, 可以将三角波信号的上升和下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038 中的非线性网络是由4 级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来, 逼近点越多得到的正弦波效果越好, 失真度也越小, 在本芯片中N= 4, 失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达0.5 左右。其精度效果相当满意。为了进一步减小正弦波的失真度, 可采用图2 所示电路中两个电位器RW3 和RW4 所组成的电路, 调整它们可使正弦波失真度减小。当然, 如果矩形波的占空比不是50% , 矩形波不再是方波, 引脚2 输出也就不再是正弦波了。 图2 电路原理图
经实验发现, 在电路设计中接10 脚和11 脚的电容值和性能是整个电路的关键器件, 电容值的确定也就确定电路能产生的频率范围, 电容性能的好坏直接影响信号频率的稳定性、波形的失真度, 由于该芯片是通过恒流源
对C 充放电来产生振荡的, 故振荡频率的稳定性就受到外接电容及恒流源电流的影响, 若要使输出频率稳定, 必须采用以下措施:外接电阻、电容的温度特性要好; 外部电源应稳定; 电容应选用漏电小、质量好的非极化电容器。3.实验结果
当±12V 工作电源时, 输出频率如下表: 失真度情况, 实验数据如下表: 4.软件流程图
图3 为软件流程图。T0 设为计数器,T1 设为定时器(初值为5ms)。5ms 启动主循环, 主要用于键盘扫描及扫描显示, 图2 中K0 作为控制键, K1 作为调整键, K2 作为增加键; 上电时程序进入频率设置模式, 按一下K0 键程序进入数控模式, 按二下K0 键程序进入扫频模式, 按三下K0 键程序进入频率设置模式, 周而复始。在频率设置模式, 由K1 键和K2 键完成频率设置。 图3 软件流程图基于ICL8038的函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。因此，广泛用于仪表之中。一、电路结构函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示，共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 和 ，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和 端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。RS触发器是数字电路中具有存储功能的一种基本单元电路。Q和 是一对互补的状态输出端，当Q=1时， ；当Q=0时， 。S和 是两个输入端，当 时，Q=0时， ；反之，当 时，Q=1时， ；当S=0， 时，Q和 保持原状态不变。两个电压比较器的电压传输特性如下图所示。二、工作原理★当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，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=0， ；★使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为IS1=I因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。★当上升为VCC/3时，电压比较器Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的 ，S=0时，Q和 保持原状态不变。★一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的 时，Q=1时， ，导致开关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VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时 ，Q=0， ，使得开关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，因而电容上电压为三角波，Q和 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。结论：改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。三、性能特点ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，即将引脚11接地，引脚6接+VCC，VCC为10~30V；也可双电源供电，即将引脚11接-VEE，引脚6接+VCC，它们的值为±5~±15V。频率的可调范围为0.01Hz~300kHz。输出矩形波的占空比可调范围为2%~98%，上升时间为180ns，下降时间为40ns。输出三角波（斜坡波）的非线性小于0.05%。输出正弦波的失真小于1%。四、常用接法如图所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。如图所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，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了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。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故RA《2RB。 为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如下图所示电路中两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达1000:1。

电路与电子技术实验

1.用交流毫伏表测量交流信号时，仪器正常的频响范围内，信号频率的高低对读数没有影响。不能用交流毫伏表来测量直流电压和5Hz 以下的交流电压，因为交流毫伏表的内部用二极管进行单向导电处理，直流电会被断路。之所以不用普通万用表来测量高频信号电压，是因为普通万用表中所用元器件的同频带较低，对高频信号的处理会产生频率失真。 2.函数信号发生器一般都有三角波、正弦波、方波这三种输出，有些功能多一点的还有这三种波形的变形输出。其输出端可以断路但不能短路。 3.频率、幅度、灰度、聚焦四个旋钮是最常用的，但一定要注意通道的正确选择。信号千万不能选择为“地”。
希望采纳