毕业论文 多功能波形发生器.docx

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毕业论文多功能波形发生器

多功能波形发生器

马伟

（渭南师范学院物理与电子工程系06级电信3班）

摘要：

本设计是基于压控单片函数发生器芯片ICL8038的多功能波形发生器。

其由电源电路，信号发生电路，输出驱动电路三部分组成，利用ICL8038产生方波、三角波、正弦波，通过对外接定时电容和电阻的调节从而实现对输出频率和占空比的调控。

在1HZ～100KHZ内产生任意方波、三角波、正弦波。

经过多次测试，本设计整机具有波形清晰，频率、相位和幅度相对稳定，没有明显失真。

关键词：

ICL8038；方波；三角波；正弦波

引言

随着社会的发展，函数发生器的运用非常广泛，其在电子设计方面、电子电路、工业控制、教学科研等领域广泛应用，并且对电子测量和计量工作起着极其重要的作用。

美国Harris公司生产的单片精密函数波形发生器ICL8038可以通过外接少量元件来产生多种波形信号。

只需连接少量外围器件就产生0.001Hz～300KHz的三角波、锯齿波、正弦波、方波及脉冲波，利用对外接电阻和电容的改变来调节函数发生器芯片的频率调节电压，以达到更方便地对产生波形频率的调节和控制。

然后利用运算放大电路将所产生的波形信号进行放大以满足设计所要求的幅度指标范围：

方波0～5V；三角波±3V；正弦波0～5V。

1多功能波形发生器的设计方案

1.1系统功能分析

本次毕业设计的目的就是设计出一种结构简单、性能可靠的多功能波形发生器。

其核心问题是信号的控制问题，其中包括信号种类、信号频率以及信号强度的控制。

1.2设计指标

设计产生方波、三角波、正弦波；

频率范围：

1～100KHZ；

幅度范围：

方波0～5V，三角波±3V，正弦波0～5V。

1.3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，并且避免了大量的滤波器，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、相位都很难控制。

方案三：

完全利用硬件电路的方法产生。

随着半导体集成器件的迅速发展，出现了许多外围电路简单、调节方便、性能好、价格较低的单片集成精密函数波形发生器。

例如美国MAXIM公司研制的单片高频精密函数波形发生器MAX038，美国Harris公司生产的单片精密函数波形发生器ICL8038，都可以通过外接少量元件来产生多种波形信号。

其特点是产生的波形精度高、频率范围宽、稳定性好、电路结构简单。

考虑到在短时间内要完成一个结构简单、输出稳定的波形发生器的制作，所以本设计本着周期短、结构简单、输出稳定的特点，采用方案三，完全利用纯硬件电路的设计。

2多功能波形发生器的设计及实现

2.1多功能波形发生器组成原理

该多功能波形发生器主要由电源电路、信号发生电路、输出驱动电路三个部分组成，核心是国外的单片压控函数波形发生集成芯片ICL8038。

多功能波形发生器原理框图如图2-1所示：

图2-1多功能波形发生器原理框图

1、电源电路：

由于实验所用的单片压控函数发生器集成芯片采用双电源供电，所以该部分电路的功能是要把220V交流电转换成稳定的±12V的直流以供芯片正常工作。

2、信号发生电路：

该部分是整个电路的核心，它能产生精度较高的方波﹑三角波﹑正弦波等多种信号并且产生的各种信号的频率可以通过选择不同外接电阻和电容，调节ICL8038芯片8管脚的电压来进行调节。

3、驱动电路：

虽然由ICL8038和外围电路组成的函数发生器产生的信号可以在示波器上显示，但是在一些电路负载较大的电路中直接输入由ICL8038和外围电路组成的函数发生器产生的信号，其效果很不理想，因此添加后置驱动电路以提高信号源的带负载能力。

2.2电源电路

电源电路由变压器B2，整流管D1～D4，电容C1～C8及三端稳压器MC7812和MC7912组成，可提供±12V电源电压。

其电路图见附录多功能波形发生器的电路原理图。

其工作过程如下：

当外界有一个220V的交流电输入该部分时，首先变压器能有效的将220V交流转变为±15V交流，然后将其输入一个由四个二极管组成的整流桥电路，该电路将15V交流转变为15V直流；之后又经过电解电容和MC7812以及MC7912将其转换为稳定的±12V直流，这样一来就可以减少电源电路部分对后面的影响以提高电路的稳定性，从而减少系统误差。

2.3信号发生电路

该部分是整个电路的核心，单片函数发生器ICL8038只需要使用少量电阻、电容元件组成的信号发生器能产生精度较高的方波、三角波及正弦波。

R1、R2为方波输出占空比调节电阻，阻值为8.2k，W4用来对R1、R2阻值进行微调：

W1、W2、W3及R3组成分压网络，调节W2，改变ICL8038的8脚输人电压．可改变输出波形的频率；C3~C7为外接定时电容．改变开关K1的位置，可获得五个频段的输出信号；为了减小正弦波的失真度，ICL8038采用两套微调网络W5和W6，分别微调1脚和12脚电位。

其电路图见附录多功能波形发生器的电路原理图。

2.3.1ICL8038芯片的介绍

ICL8038是十四引脚的标准双列直插式集成电路，它的引脚排列如图2-2所示。

图2-2ICL8038管脚图

ICL8038各引脚的名称、功能和用法简介如下：

（1）电源及地端：

6脚V+，正电源电压输入端；11脚V-或GND，负电源电压输入端或地端，当ICL8038单极性电源工作时，该端接地；当ICL8038双极性电源工作时，该端接负电源，应用中接用户系统正负电源正电源与地。

（2）输出端：

2脚S.W.O，正弦波电压信号输出端；9脚S.Q.O，方波电压信号输出端，应用中通过一电阻接正电源；3脚T.O，三角波电压信号输出端，实际应用中该三端可根据用户系统的需要，选其任意一路或全部作为用户系统的给定或参考信号，来完成用户系统所要求的控制功能。

（3）输入端：

8脚F.S.I，频率调制扫瞄电压输入端，该端输入电压的高低，决定了ICL8038输出波形频率的最高频率及最低频率范围，ICL8038输出波形的频率是该端施加电压的直接函数，通常对该端输入电压Vsweep的范围要求是（2/3Vsupply+2V）VsweepVsupply，此处Vsupply为ICL8038工作的电源电压，其值是6脚与11脚电压的差值。

7脚F.B，频率调制偏置电压输入端，该端输入信号决定着ICL8038的最高工作频率，如直接把7脚与8脚相连，便可得到ICL8038的最高工作额率，输出应用中多与8脚直接短接，也有单独加信号或通过电阻与8脚连接的场合。

（4）外接定时器件端：

10脚T·C，定时电容连接端，该端所接电容C与4脚、5脚所接的电阻一起决定了ICL8038的工作频率，该电容在工作中具有重要的作用，ICL8038内部的电流源正是给该电容充放电而得到三角波，进而形成正弦波及其方波，所以该电容应选择容量稳定，线性度好，电感量小，串联电阻小的高质量电容。

在选值上，为了减少误差，电容C应按给其充电电流为1mA的上限来选择。

4脚、5脚为D.C.F.A，占空比及输出频率调节定时电阻连接端，该两端所接电阻及的值与10脚所接电容C一起决定着ICL8038输出信号的频率，同时调节该两定时电阻可实现ICL8038输出波形的对称，连接于4脚的电阻决定着输出信号正弦波及三角波的上升段和方波高电平的宽度t，而接于5脚的电阻决定着输出信号正弦波及三角波的下降段和方波信号低电平的宽度t。

应用中若要获得很好的占空比调节效果，应保持和独立且在4脚及5脚与电源之间连接一个可调电位器，对要求占空比稍大于50％的场合，可将电位器的可调端接于正电源，而其两个固定端分别通过及连接于4脚及5脚，在不需要调节占空比的场合，可将4脚与5脚短接后通过一个电阻R接正电源，这种接法会引起输出波形占空比及频率的较大变化。

电容C充电的电流源的电流I值过小（5mA）时电路内部晶体管的放大倍数β及饱和压降会带来误差，此I值通常取l0µA～lmA，应特别注意的是、的选择应保证给电容C充电的电流为I，反向充电的电流为2I，不然的话，在3脚会得到不对称的锯齿波电压，而在9脚得到占空比小于1％到大于99％的脉冲电压波形。

（5）输出正弦波失真度调节端：

12脚和1脚为S.W.A，输出正弦波失真度调节端，应用中可在12脚和11脚之间接100k的电阻，使输出正弦波的失真度小于l％，也可通过两个阻值相等的固定端连接于V+与V-之间，而调节端分别接于1脚与12脚的电位器的调节作用，使输出正弦波的失真度优于0.5％。

（6）空脚：

13脚和14脚为N．C，空脚，实用中悬空，该两端对器件自身工作没有影响和作用。

2.3.2波形产生原理

图2-3ICL8038内部结构图

参看图2-3工作时，外接定时电容通过两个电流源充电和放电。

电流源2由触发电路控制其与定时电容的通路的打开与关闭，而电流源1则是一直与电容通的。

假设一开始触发电路使电流源2与定时电容的通路断开，外接定时电容由电流源1进行充电，充电电流为I，则电容两端的电压将随时间线性上升。

当电压达到比较电路1的参考电平（一般设置为电源电压的三分之二）时，触发电路被触发而改变其状态，使电流源2与定时电容的通路接通。

电流源2的电流一般设置在2I（可由外接元件调节），因此外接定时电容以初电流I进行放电，其两端电压随时间线性下降。

当电压下降到比较电路2的参考电平（一般设置在电源电压的三分之一）时，触发电路再次翻转，使电流源2与定时电容的通路断开，从而结束此次电容电压上升和下降的循环过程，又开始一个新的循环。

从这个基本发生器电路中可很容易的获得四种波形。

当电流源1和2的电流分别设置在I和2I时，外接定时电容的充电时间和放电时间相等，因此在定时电容两端产生一个三角波，触发电路产生一个方波，两种波形输送到缓冲电路分别从引脚（3）和引脚（9）输出。

电流源的电平可以通过选择外围两个宽范围电阻的阻值而改变。

当两个电流源的电流值分别偏离I和2I时，将在外接电容C两端产生非对称的锯齿波，触发器电路将产生占空比不同的脉冲波，可使非对称锯齿波的上升段和下降段的比例由1％变为99％，同时脉冲波的占空比也可对应地由1％变为99％。

此时由引脚（3）输出的是锯齿波，由引脚（9）输出的是脉冲波。

将三角波输送到正弦波转换电路可产生正弦波。

2.4输出驱动电路

输出驱动电路由R7～R14、W7、W8、T1及TL081组成。

ICL8038的9脚输出方波电压经R7加到T1基极。

在T1的发射极可得到5V方波输出电压，R10为输出短路保护电阻，ICL8038的3脚输出幅值为±3V的三角波经R11后直接输出，ICL8038的2脚输出的正弦波经TL081组成的同相放大器放大后，由V3端输出，改变W8的触点位置，可获得幅值为0～5V的正弦波信号。

对于一些负载较大的电路，直接输入由ICL8038和外围电路组成的函数发生器产生的信号，由于信号源极其微弱而导致其测试或实验效果很不理想，因此添加输出驱动电路以提高信号源的带负载能力。

其电路图见附录多功能波形发生器的电路原理图。

3多功能波形发生器的安装及调试

3.1测试电路

在图3-1中，C为振荡定时电容，其值可随要求的频率改变。

和以及W1分别是调节ICL8038内部恒流源参数的外接电阻和电位器，RL为9脚与电源端跨接的电阻，W2作为与W1配合的调节电位器，可调节ICL8038内部电流源设