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函数发生器
摘要
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如方波、三角波、正弦波的电路。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出方波、三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。
本课题采用集成芯片ICL8038制作方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法，经过proteus仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波—三角波转换及三角波—正弦波转换的波形图。
关键词：
函数信号发生器；ICL8038；仿真
摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ
1设计的目的及任务……………………………………………………………1
1.1课程设计任务…………………………………………………………1
1.2课程设计目的…………………………………………………………1
1.3课程设计要求…………………………………………………………1
2总体方案设计…………………………………………………………………2
3电路设计过程…………………………………………………………………3
3.1ICL8038工作原理…………………………………………………3
3.2ICL8038管脚功能图………………………………………………4
3.3ICL8038性能特点……………………………………………………5
3.4ICL8038信号波形时间………………………………………………5
3.5波形减少失真设计……………………………………………………6
3.6输出频率和调频……………………………………………………7
3.7稳压电源电路设计……………………………………………………7
3.8函数发生器的总电路图………………………………………………8
3.9元器件清单……………………………………………………………9
4仿真与调试……………………………………………………………………10
设计小结…………………………………………………………………………11
参考文献…………………………………………………………………………12
1设计的目的及任务
1.1课程设计任务
设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器
1.2课程设计目的
通过课程设计，使学生加巩固和加深对电子电路基本知识的理解，学会查寻资料、方案设计、方案比较，以及单元电路设计计算等环节，进一步提高学生综合运用所学知识的能力，提高分析解决实际问题的能力。
锻炼分析、解决电子电路问题的实际本领，通过此综合训练,为以后毕业设计打下一定的基础。
1.3课程设计要求
（1）输出的各种波形工作频率范围0.02Hz~20KHz连续可调。
（2）正弦波幅值
10V，失真度小于1.5%。
（3）方波幅值
10V。
（4）三角波峰-峰值20V；各种输出波形幅值均连续可调。
2总体方案设计
波形产生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件获得所要求的波形信号输出。
波形产生的关键部分是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。
具体设计可参考以下思路。
（1）用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得出方波输出（例如用施密特触发器），用积分电路将方波变换成三角波或锯齿波输出。
（2）如图2.1所示利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成三角波输出，用折线近似法将三角波变换成正弦波输出。
图2.1函数函数发生器框图
（3）用多谐振荡器产生方波输出，方波经滤波电路可得正弦波输出，方波经
积分电路可得三角波输出。
（4）利用单片函数发生器ICL8038、集成振荡器E1648及集成定时器555/556等可灵活地组成各种波形产生电路
综合以上的说明以及自己的实际情况，本设计采用第四种利用集成芯片ICL8038
来产生方波，三角波，正弦波。
总体框图如图2.2所示。
图2.2总体框图
3电路设计过程
3.1ICL8038工作原理
ICL8038是单片集成函数信号发生器，其内部框图如图3.1所示。
它由恒流源I1和I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲器和三角波变正弦波电路等组成。
图3.1ICL8038内部原理框图
外接电容C由两个恒流源充电和放电，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。
恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。
当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。
由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。
在以上基本电路中很容易获得4种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。
由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。
适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。
因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。
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成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。
3.2ICL8038管脚功能图
ICL8038是上海元件五厂生产，而国外生产同类产品ICL8038性能特点要优于以互换使用。
ICL8038引脚排列如图3.2所示。
图3.2ICL8038管脚
集成电路ICL8038管脚说明：
（1）正弦波失真调节端；
（2）正弦波输出端；
（3）三角波/锯齿波输出端；
（4）恒流源调节（4脚和5脚外接电阻，以实现占空比的调节）；
（5）恒流源调节（外接电阻端）；
（6）正电源；
（7）基准源输出；
（8）调频控制输入端；
（9）方波/矩形波输出端（集电极开路输出）；
（10）外接电容C；
（11）负电源或接地端；
（12）正弦波失真调节；
（13）空置端；
（14）空置端。
3.3ICL8038性能特点
ICL8038性能特点如下：
（1）输出各类波形频率漂移小于50×10-6Hz/℃；
（2）通过调节外接阻容元件值，很容易改变振荡频率，使工作频率在0.001Hz-300kHz范围内可调节。
（3）输出波形失真小；
（4）三角波输出线性度可优于0.1%。
（5）矩形脉冲输出占空比调节范围可达1-99%，可获得窄脉冲、方波、宽脉冲输出；
（6）输出脉冲（或方波）电平可从4.2-28V；
（7）外围电路简单（外接元件较少），引出线比较灵活、适用性强。
3.4ICL8038信号波形时间
所有信号波形对称都可由外部时间电阻器来调整。
如图3.3所示。
最佳的结果通过保持时间电阻器RA和RB的独立。
RA控制三角波，正弦波的上升的部份和矩形波的1个状态。
角信号波形的大小被设置在1/3电源电压;因此三角的上升的部份是：
三角波和正弦波下降部分和0矩形波的状态是:
当RA=RB时占空比为50%，如果占空比仅在50%小范围变化，连接在图3.4是稍微比较方便。
1k的电位器不能允许占空比达到50%。
有两个独立的定时电阻器的频率为:
图3.3外部定时电阻图图3.4外部定时电阻图
时间和频率都不依赖于电源电压,尽管所有的电压都不是由内部集成电路调节。
这归结于实际电流和门限是直接的，电源电压是线性函数，因而他们的不起作用。
3.5波形减少失真设计
为了减小正弦波失真，在管脚11和12之间的82K电阻最好是可变电阻。
这种安排使失真少于1%是可以达到的。
为了减少得更多,二台电位器可能按照图3.5所示的连接，这种典型构造使得正弦波失真减少近0.5%。
图3.5正弦波失真达到最低的连接
3.6输出频率和调频
对任何特定的输出频率,有广泛的RC组合工作,然而,为了最佳性能某些制约因素限制了充电电流大小。
在低端,电流小于1μA都是不可取的,因为在高温时电路的泄漏将产生重大误差.高电流（I＞5mA）,晶体管betas和饱和电压将有会使误差越来越大,因此，最佳性能是充电电流的10μA-1mA时获得的，如果管脚7和8是短路的，充电电流的大小由RA确定,可以计算出:
电容器数值应该被选择在取值最大的可能的范围内。
频率的波形发生器是一个直接作用在直流电压终端8。
通过改变电压,频率调制完成。
小偏差（例如±10%）调制信号,调整的信号可能直接是应用于管脚8，仅提供直流与解耦电容器如图3.6所示，管脚7和8之间的外部电阻是没有必要的,但它可以用来增加输入阻抗约8kΩ（管脚7和8连在一起），约（R+8kΩ）。
为了较大调频偏差或扫频,调节的信号是应用在正电压和管脚8（图3.6所示）。
这样整个电流源的斜线由调节信号产生,而一个非常大（例如1000:
1）扫描范围设定（f=0时vsweep=0）。
然而,为了调控电源电压必须非常小心,在这种构造中充电电流已不再是作为是一个电源电压（触发器的门限仍然作用）因此，频率依赖于电源电压。
隐藏的管脚8可以从V+/（1/3VCC-2V）下降。
图3.6调频的连接
3.7稳压电源电路设计
稳压电源电路主要是采用7805集成芯片，提供12V的稳压电源，够给ICL8038芯片的工作。
在图3.7所示，输入电容C4用以抵消输入端较长底线的电感效应。
以防止自激振荡，还可以抑制电源的高频脉冲干扰。
采取0.33uF输出电容C5和C6以改善负载的瞬态响应。
消除电路的高频噪声，同时也具有消振的作用。
图3.7电源电路
3.8函数发生器的总电路图
总电路图如图3.8所示。
图3.8总电路图
通过调节电位器RV2的位置，既可调节函数发生器的输出振荡频率的大小可用RV1来调节。
调节电位器RV1，可调节输出正弦波信号失真度。
图中3个电位器RV1，RV2，RV3采用精密多圈电位器。
为了使振荡信号获得最佳的特性，流过ICL8038集成电路4脚和5脚的电流不能过大或过小。
3.9元器件清单
根据任务要求，我们选择了一些造价低廉但性能稳定性较好的元器件，具体情况如表3.1所示。
表3.1元器件清单
序号
名称
型号
数量
备注
1
集成芯片
ICL8038
1
2
可变电阻
RV
3
3
电源
TERMINALLABEL
1
4
电阻
RES
3
ANALOG
5
电容
CAP
2
6
虚拟示波器
DigitalOscilloscope
1
4仿真与调试
按照图3.8所示电路，在protues软件运行下仿真与调试，调试前，在三路波形的输出端接上虚拟示波器进行跟踪。
仿真图如4.1所示。
图4.1波形仿真图
（1）输出频率
以上频率和波形并未完全到达要求的指标范围，经分析，原因在于通过对比，发现频率范围整体下移，这里可能存在的原因是反馈通道电阻值达不到计算的数值。
调节RV1即可近似达到要求的频率范围0.02Hz~20KHz且连续可调。
以方波为例检测器频率结果如下图4.1所示为频率为1KZ对应的波形。
图4.2方波波形
（2）输出电压
①方波：
方波信号接入虚拟示波器，调节RV3,测得方波峰峰Vpp=10V，可见所得值与性能指标中的一致。
②三角波：
撤除方波信号并接入三角波信号，调节RV3,测得三角波峰峰值Upp=20V也能达到课题的要求。
③正弦波：
将正弦波信号接入示波器，调节RV3,测得正弦波幅值10V。
也基本上能到达课题要求。
设计小结
在本文的设计中使用了ICL8038单片函数波形发生器，可以产生精度较高的正弦波、方波、矩形波等多种信号，而且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。
特别适用于工控和电子实验室，当输出缓冲电路独立设置多路时，可同时多路输出三种信号，比较容易满足实际需要。
课程设计过程中，我学到了很多人生的哲理，懂得怎么样去制定计划，怎么样去实现这个计划，并掌握了在执行过程中怎么样去克服心理上的不良情绪，黑夜过去了，我们收获的是黎明。
在本次实践中，给我印象最为深刻的是在元件选择过程中。
老天不会让我太过顺利，他在这最后的时刻设置的障碍，是要考验我的能力，他要置我于死地？
在这个问题的解决上，我打了退堂鼓，我不能忍受长时间的无功而反，时间正在消磨我的意志。
没有了柳暗花明的一天，那么我怎么能说经受住了考验？
我鼓起勇气，到处问，到处查资料，黄天不负有心人，在一篇文章上，终于看到了我所特别要求的电路设计，我实现了组合是关键的理论。
不得不说这是精神的胜利，是永不言败的精神让我的设计重见天日。
参考文献
[1]童诗白主编．模拟电子技术基础（第三版）．北京：
高教出版社，2001
[2]李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001
[3]胡宴如主编.模拟电子技术基础.北京.高等教育出版社，2004
[4]彭介华主编.电子技术课程设计指导》.高教出版社出版.第一版.2002年
[5]康光华主编.《电子技术基础》.高教出版社出版.第四版.1999年
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