函数信号发生器的设计.docx

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函数信号发生器的设计

课程设计说明书

题目：

函数信号发生器的设计

课程名称：

模拟电子技术

学院：

电子信息及电气工程学院

学生姓名：

学号：

201102010063

专业班级：

自动化2011级2班

指导教师：

赵路华

2013年6月7日

课程设计任务书

设计题目

函数信号发生器设计

学生姓名

张筱璐

所在学院

电子信息与电气工程学院

专业、年级、班

自动化2011级2班

设计要求：

1、设计制作一个函数发生器电路；

2、电路能输出正弦波、方波和三角波三种波形；

3、输出信号的频率要求可调；

4、输出波形的幅度可调。

学生应完成的任务：

设计一个函数发生器电路，并利用Proteus软件进行电路仿真。

利用DXP软件绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。

根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。

参考文献：

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：

高等教育出版社，2005.

[2]秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京：

北京大学出版社，2012.

[3]邱关源，罗先觉.电路（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2006.

[4]阎石.数字电子技术（第五版）[M].北京：

高等教育出版社，2005

工作计划：

5月27日—29日完成原理图的设计；

5月29日—31日进行PCB设计；

6月3日号—4日制作PCB板；

6月5日—7日电路板安装与调试，提交课程设计报告。

任务下达日期：

2013年5月27日

任务完成日期：

2013年6月7日

指导教师（签名）：

学生（签名）：

函数信号发生器设计

摘要：

本次设计了函数发生器电路，电路能输出正弦波、方波和三角波三种波形，输出信号的频率和幅度均能调节。

该电路包括两部分，一是由ICL8038组成的8038集成函数发生器，该部分可以输出正弦波，方波，三角波三种波形，且频率在10Hz~11kHz之间，可以通过电位器进行调节频率和占空比;二是由集成运放ua741组成的放大电路，该部分能对输出的信号进行放大，幅值范围为0--22V。

关键词：

ICL8038；ua741；波形；原理图；封装；PCB

1.设计背景

1.1设计建议

函数信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的正弦波和矩形波、三角波是常用的基本测试信号。

在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。

对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波正弦波三角波以及锯齿波阶梯波等电压波形的电路或仪器。

因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的函数信号发生器。

1.2设计可行性研究

函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。

也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。

随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，本次用到的ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。

所以，选择的方案在技术上是可行的。

2.设计方案

2.1ICL8038简介

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、方波与脉冲波等波形。

（1）ICL8038电源电压范围宽，采用单电源供电时，VCC、GND的电压范围为+10---+30V；采用双电源供电时，VCC---VEE的电压可在±5---±15V内选取。

电源电流约15mA。

（2）振荡频率范围宽，频率稳定性好。

频率范围是0.001Hz-300kHz，频率温漂仅50ppm/℃（1ppm=10-6）。

（3）输出波形的失真小。

正弦波失真度＜5%，经过仔细调整后，失真度还可低到0.5%。

三角波的线性度高达0.1%。

（4）矩形波占空比的调节范围很宽，D=1%-99%，由此可获得窄脉冲、宽脉冲或方波。

（5）外围电路非常简单，易于制作。

通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率，产生高质量的中、低频正弦波，矩形波（或方波，窄脉冲）,三角波（或锯齿波）等函数波形，其应用领域比普通单一波形的信号发生器更为广阔。

此外8038还能实现FM调制，扫描输出。

ICL8038采用DIP－14封装，芯片内部包括两个恒流源, 两个电压比较器，两个缓冲器，正弦波变换器，模拟开关，RS触发器。

在构成函数波形发生器时，应将第7,8两脚短接。

其工作原理如下：

利用恒流源对外接电容进行充放电，产生三角波（或锯齿波），经缓冲器I从第3脚输出，由触发器获得的方波（或锯形波），经缓冲器Ⅱ从第九脚输出。

再利用正弦波变换器将三角波变换成正弦波，从第2脚输出。

改变电容器的充放电时间，可实现三角波与锯齿波方波与矩形波的互相转换。

2.2函数发生器工作原理

ICL8038是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图1。

在图1中，ICL8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器等组成。

电压比较器I1、I2的门限电压分别为2VR/3和VR/（VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。

当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。

而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压VC随时间线性上升，当VC上升到VC=2VR/3时，比较器I1输出发生跳变，使触发器输出端Q由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。

由于I2>I1，因此电容C放电，Vc随时间线性下降。

当Vc下降到Vc≤VR/3时，比较器I2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，Vc又随时间线性上升。

如此周而复始，产生振荡，若I2=2I1，Vi上升时间与下降时

图1

间相等，就产生三角波输出到脚。

而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。

三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。

因此，ICL808能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形。

其中，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3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，我们选择RA=RB=4.7K，C=0.1uF。

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，就可获得三角波等函数信号。

　　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。

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。

为了减小正弦波失真，在管脚11和12之间的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。

ICL8038是性能优良的集成函数发生器。

可用单电源供电，也可双电源供电，他们的值为±5---±15V，我们取±12V，输出矩形波的占空比可调范围为5％～90％。

由于ICL8038单片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。

该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。

图2为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在实际应用中，两只100K的电位器应选择多圈精度电位器，反复调节，可以达到很好的效果。