求函数信号发生器设计

求函数信号发生器设计
求函数信号发生器设计

求函数信号发生器设计
专业：应用电子技术 届：07届 姓名：李贤春
摘 要
本系统以ICL8038集成块为核心器件,制作一种函数信号发生器,制作成本较低.适合学生学习电子技术测量使用.ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号.输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制.另外由于该芯片具有调制信号输入端,所以可以用来对低频信号进行频率调制.
关键词 ICL8038,波形,原理图,常用接法
一、概述
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域,经常需要用到各种各样的信号波形发生器.随着集成电路的迅速发展,用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器.用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比,其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标,都有了很大的提高.
二、方案论证与比较
2.1·系统功能分析
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：
2.2·方案论证
方案一∶采用传统的直接频率合成器.这种方法能实现快速频率变换,具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率.但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节,导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高,而且容易产生过多的杂散分量,难以达到较高的频谱纯度.
方案二∶采用锁相环式频率合成器.利用锁相环,将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上.这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性,可以很好地选择所需要频率信号,抑制杂散分量,并且避免了量的滤波器,有利于集成化和小型化.但由于锁相环本身是一个惰性环节,锁定时间较长,故频率转换时间较长.而且,由模拟方法合成的正弦波的参数,如幅度、频率 相信都很难控制.
方案三：采用8038单片压控函数发生器,8038可同时产生正弦波、方波和三角波.改变8038的调制电压,可以实现数控调节,其振荡范围为0.001Hz～300KHz.
三、系统工作原理与分析
3.1、ICL8038的应用
ICL8038是精密波形产生与压控振荡器,其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变,输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源,单电源（V+）：+10～+30V,双电源（+V）（V-）：±5V～±15V.图1-2是管脚排列图,图1-2是功能框图.8038采用DIP-14PIN封装,管脚功能如表1-1所示.
3.2、ICL8038内部框图介绍
函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示（图1-1）,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；充点电流Is1、Is2的大小由外接电阻决定.当Is1=Is2时,输出三角波,否则为矩尺波.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.
3.3、内部框图工作原理
★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.
3.4、方案电路工作原理（见图1-7）
当外接电容C可由两个恒流源充电和放电,电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3.恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节,但必须I2＞I1.当触发器的输出为低电平时,恒流源I2断开,恒流源I1给C充电,它的两端电压UC随时间线性上升,当达到电源电压的确2/3时,电压比较器I的输出电压发生跳变,使触发器输出由低电平变为高电平,恒流源I2接通,由于I2＞I1（设 I2=2I1）,I2将加到C上进行反充电,相当于C由一个净电流I放电,C两端的电压UC又转为直线下降.当它下降到电源电压的1/3时,电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变,使触发器输出为方波,经反相缓冲器由引脚9输出方波信号.C上的电压UC,上升与下降时间相等（呈三角形）,经电压跟随器从引脚3输出三角波信号.将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现,在这个非线性网络中,当三角波的两端变为平滑的正弦波,从2脚输出.
其中K1为输出频段选择波段开关,K2为输出信号选择开关,电位器W1为输出频率细调电位器,电位器W2调节方波占空比,电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真.
图1-1
3.5、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示.
图1-4
3.6、常用接法
如图（1-2）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（1-5）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.
图1-5
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,可采用如图（1-6）所示电路,电阻20K与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8,通常取V8≥2/3Vcc.V8越高,Ia、Ib越小,输出频率越低,反之亦然.RW2可调节的频率范围为20HZ20~KHZ.V8还可以由7脚提供固定电位,此时输出频率f0仅有Ra、Rb及10脚电容决定,Vcc采用双对电源供电时,输出波形的直流电平为零,采用单对电源供电时,输出波形的直流电平为Vcc/2.两个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.
3.7、实际线路分析
可在输出增加一块LF35双运放,作为波形放大与阻抗变换,根据所选择的电路元器件值,本电路的输出频率范围约10HZ～20KHZ；幅度调节范围：正弦波为0～12V,三角波为0～20V,方波为0～24V.若要得到更高的频率,还可改变三档电容的值.
图1-6
表 1-1 ISL8038管脚功能
管 脚 符 号 功 能
1,12 SINADJ1,SINADJ2 正弦波波形调整端.通常SINADJ1开路或接直流电压,
SINADJ2接电阻REXT到V-,用以改善正弦波波形和减小失真.
2 SINOUT 正弦波输出
3 TRIOUT 三角波输出
4,5 DFADJ1,DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端.通常DFADJ1端接电阻RA到V+,DFADJ2端接RB到V+,改变阻值可调节频率和占空比.
6 V+ 正电源
7 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压
8 FMIN 调频电压输入端
9 SQOUT 方波输出
10 C 外接电容到V-端,用以调节输出信号的频率与占空比
11 V- 负电源端或地
13,14 NC 空脚
四、制作印刷电路板
首先,按图制作印刷电路板,注意不能有断线和短接,然后,对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接.可根据自己的习惯并遵循合理的原则,将面板上的元器件安排好,尽量使连接线长度减少,变压器远离输出端.再通电源进行调试,调整分立元件振荡电路放大元件的工作点,使之处于放大状态,并满足振幅起振条件.仔细检查反馈条件,使之满足正反馈条件,从而满足相位起振条件.
制作完成后,应对整机进行调试.先测量电源支流电压,确保无误后,插上集成快,装好连接线.可以用示波器观察波形发出的相应变化,幅度的大小和频率可以通过示波器读出 .
五、系统测试及误差分析
5.1、测试仪器
双踪示波器 YB4325(20MHz)、万用表.
5.2、测试数据
基本波形的频率测量结果
频率/KHz
正弦波 预置 0.01 0.02 2 20 50 100
实测 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193
方波 预置 0.01 0.02 2 20 50
实测 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038
三角波 预置 0.01 0.02 1 2 20 100
实测 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191
5.3、误差分析及改善措施
正弦波失真.调节R100K电位器RW4,可以将正弦波的失真减小到1%,若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时,在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了.
输出方波不对称,改变RW3阻值来调节频率与占空比,可获得占空比为50%的方波,电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率,调节RW3可使波形对称.
没有振荡.是10脚与11脚短接了,断开就可以了
产生波形失真,有可能是电容管脚太长引起信号干扰,把管脚剪短就可以解决此问题.也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真,加装上散热片就可以了.
5.4、调试结果分析
输出正弦波不失真频率.由于后级运放上升速率的限制,高频正弦波（f>70KHz）产生失真.输出可实现0.2V步进,峰-峰值扩展至0～26V.
图1-2
图 1−7
六、结论
通过本篇论文的设计,使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解,掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理.利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单,调试方便,功能完备.可输出正弦波、方波、三角波,输出波形稳定清晰,信号质量好,精度高.系统输出频率范围较宽且经济实用.
七、参考文献
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