基于ICL8038的函数信号发生器设计Word文档下载推荐.docx
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要求:
(1)输出波形
方波、三角波、正弦波等。
(2)频率范围
输出频率范围一般可分为若干波段。
(3)输出电压
输出电压一般指输出波形的峰—峰值。
(4)波形特性
正弦波:
谐波失真度,一般要求小于3%。
三角波:
非线性失真度,一般要小于2%。
方波:
上升沿和下降沿时间。
1.2课程设计要求
综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识,阅读相关集成电路芯片资料和相关文献,了解电子电路设计的有关知识,方法和特点,掌握基本的电子电路设计和芯片使用方法。
2.对课程设计成果的要求〔包括图表(或实物)等硬件要求〕:
设计电路,安装调试或仿真,分析实验结果,并写出设计说明书,语言流畅简洁,文字不得少于3500字。
要求图纸布局合理,符合工程要求,使用Protel软件绘出原理图(SCH)和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。
3.主要参考文献:
参考文献
【1】康华光,电子技术基础模拟部分(第五版)[M],高等教育出版社,2005;
【2】康光华,电子技术基础数字部分(第五版)[M],高等教育出版社,2005;
【3】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2011;
基于ICL8038的信号发生器设计
1整体设计思想
利用单片集成函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、电位器等外围电路灵活的组成,使通过电源来产生产生正弦波、方波、三角波等波形电路。
工作原理整体框图如图1.1所示。
2详细设计
2.1、ICL8038的工作原理
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3-1是管脚排列图,以下是功能框图。
8038采用DIP-14PIN封装。
表2-1ISL8038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
图2-1ICL8038管脚图
2.2、ICL8038内部框图介绍
图2-2ICL8038的电路结构
函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示(图3-2),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S以及S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。
2.3、方案电路工作原理(见图2-3)
图2-3函数信号发生器
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Rp1为输出频率细调电位器,电位器Rp2调节方波占空比,电位器Rp3、Rp4调节正弦波的非线性失真。
2.4、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示
图2-4两个电压比较器的电压传输特性
2.5、常用接法
如图(3-2)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(3-5)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Rp滑动的位置来调整RA和RB的数值。
(a)(b)
图2-5ICL8038的两种基本接法
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。
(a)矩形波占空比为(b)矩形波占空比
50%的输出波形15%的输出波形
图3-6个占空比的输出波形
为了进一步减小正弦波的失真度,可采用如下图(图3-7)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:
图2-7减小失真度的电路波形
3仿真
3.1、软件仿真
采用Protues软件仿真,电路连接比较简单,但是在仿真的过程中出现很多问题,特别是频率问题,根据计算公式当电阻R=10K时,要使输出频率达到1Hz,则电容的值应选33uF,但是在仿真的过程中但换挡到电容为1uF的时候波形就变成了直线,后面通过改变电阻也不行,输出的频率总是达不到100Hz以下。
3.2、硬件仿真
软件仿真没有达到预期要求,接下来通过硬件仿真。
硬件仿真其次是在面包板上直接插元器件进行仿真。
硬件仿真和软件仿真的结果完全不一样,输出频率完全能到达1Hz。
另外就是在第一次做失败的硬件电路的调试过程中进行了仿真。
4系统测试及误差分析
4.1、测试仪器
双踪示波器、万用表。
4.2、误差分析及改善措施
正弦波失真。
调节1角和12角R100K电位器,可以将正弦波的失真减小到1%。
输出方波不对称,改变10K电位器来调节频率与占空比,可获得占空比为50%的方波,10K电位器、阻值为100电阻与外接电容C一起决定了输出波形的频率,调节电位器和换接电容可以改变信号输出频率。
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。
5元器件清单
序号
元件
参数
类别
备注
1
R3、R4、R5
10K
电阻
碳膜电阻1/4W
RV1、RV2、RV3
1K
电位器
RV10
4
DIP-14
DSW2
频率选择开关
ICL8038
8550
芯片
+—12V
DSW1
波形选择开关
C1
0.033UF
电容
C2
100PF
C3
1UF
C4
33UF
C5
0.33UF
C6
1000PF
13
C7
4720PF
面包板
6原理图及实物图
原理图
实物图
7设计总结
通过本课程的设计,使我对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。
在本次课程设计中最大的收货就是学习了如何去硬件仿真一个电路,并且也了解了到了对于一个问题的理论与实践的差异,就像这次的硬件仿真和软件仿真,结果完全不一样,知道了硬件仿真的重要性与不可取代性。