波形发生器报告ICL8038.docx
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波形发生器报告ICL8038
说明：
初步稿子
2009年****大学第一届大学生电子设计竞赛
设计报告书
设计题目：
波形发生器
所在学院：
所在班级：
电信061
参赛队员：
指导教师：
李国良
竞赛时间：
09.5.8~
摘要………………………………………………………………………Ⅰ
Abstract…………………………………………………………………Ⅱ
引言…………………………………………………………………………Ⅲ
第一章总体设计分析………………………1
1.1设计任务的基本要求………………………………………………
1.2设计的基本思路…………………………………………………
第二章总体方案设计…………………………………………………
2.1设计方案论证…………………………………………………………
2.2设计方案比较与选择…………………………………………………
第三章硬件单元模块方案论证及设计…………………………
3.1硬件单元模块方案论证
3.1.1开关电路的设计方案论证与选择
3.1.2D/A转换器的设计方案与论证
3.1.3信号采样电路的设计方案
3.2硬件单元模块设计
3.2.1MAX038波形发生电路模块
3.2.2CD4051模拟开关电路
3.2.3输出信号采样电路模块设计
3.2.3LCD12864显示电路设计
3.2.44*4矩阵键盘输入电路模块
3.2.4电源模块的设计
第四章系统软件设计及分析………………………………………
4.1系统流程分析
4.2主体程序流程图
第五章系统调试及数据处理………………………………
5.1调试仪器
5.2硬件电路的调试………………………………………………………
5.3系统软件调试……………………………………………………
5.4数据处理………………………………………………………………
5.5结论
第六章设计总结…………………………………………….
6.1设计的小结
6.2设计收获体会…………………………………………………
6.3对设计的进一步完善提出意见或建议
参考文献
致谢
附录A系统原理图
附录B系统PCB图
附录C系统安装图
附录D材料清单表
附录E设计源程序
波形发生器
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
WaveformGenerator
Abstract
ICL8038chiptothesystemasthecoredevices,theproductionofafunctionsignalgenerator,thelowertheproductioncosts.Suitableformeasuringstudentlearningusingelectronictechnology.ICL8038isasophisticatedmulti-waveoscillationoutputintegratedcircuits,onlyindividualcomponentscanbegeneratedfromexternal0.001Hz~30KHzlow-distortionsinewave,trianglewave,rectangularwavepulsesignal.Outputwaveformofthefrequencyanddutycyclecanalsobecontrolledbythecurrentorresistance.Alsoasaresultofthechiphasamodulationinputsignal,itcanbeusedtocarryoutlow-frequencysignalsoffrequencymodulation.
Keywords:
ICL8038,waveforms,schematics,thencommonlaw
引言
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系统设计及调试过程中，用不同频率的正弦波、三角波和方波常作为信号源，应用十分方便。
过去常由分立元件及集成运放构成振荡器,分立元件体积大、相对耗能高、故障率高。
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。
第一章总体设计分析
1.1设计任务的基本要求
（1）具有正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能；
（2）输出波形的频率范围为100HZ~20KHZ，频率步进≤200HZ；
（3）输出信号频率稳定度优于10-3；
（4）失真度：
用示波器观察无明显失真；
（5）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。
（1）输出波形频率范围扩展至100KHZ~1MHZ；
（2）输出波形幅度范围0~5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整；
（3）增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于±3%（负载电阻变化范围：
100Ω~∞）.
1.2设计的基本思路
题目要求设计一个波形发生器，波形发生器的输出为正弦波、方波、三角波。
设计中利用ICL8038单片函数信号发生器的特性，产生各种波形。
第二章总体方案设计
2.1设计方案论证
一、方案一
单片机波形发生器，通过软件和硬件结合,充分利用了软件的优点,发挥其优势,尽可能地减少了硬件开销。
方便、快捷地生成特定的频率、幅度的波形数据;在单片机控制下,利用电路产生地址、读出数据,送入D/A转换电路,得到所需的波形信号。
在输出的同时将波形数据存储在数据存储器中,这样可以保证掉电以后波形数据不丢失。
其硬件框图如图1所示。
图1单片机波形发生器
波形的产生通过单片机内的程序实现,采用两片D/A转换器来控制输出,第一片用于输出波形,第二片用于控制第一片的参考电压,将第二片的输出作为第一片的参考电压,以便由程序来控制输出波形的幅值变化,从而实现波形幅值改变。
频率的产生由硬件实现,频率的变化由程序来控制,通过改变定时器的初值来改变输出波形相邻两点的时间间隔,从而实现波形频率的改变。
波形的合成也通过程序实现,具有很高的精度和线性组合的灵活性。
二、方案二
利用单片集成芯片实现波形发生器。
这种信号发生器只需要很少外部元件就能产生多种波形信号且达到较高频率，且易于调试，实现的难度比方案一要低。
其硬件框图如图2所示。
图2单片集成芯片实现波形发生器
三、方案三
利用专用直接数字合成DDS芯片实现波形发生器。
这种波形发生器能产生任意波形并达到很高频率。
其硬件框图如图3所示。
图3DDS芯片实现波形发生器
2.2设计方案比较与选择
以上三个方案都能满足设计的基本要求，但是各自都有优缺点，分别比较如下：
方案一使用软件和硬件结合的方式，此方案电路简单,绝大部分功能由程序实现,减少了硬件开销。
但是对软件的要求较高，调试程序的任务艰巨；在有限的时间内，完成该方案是有一定难度的，此方案适合平时的制作练习。
方案二采用单片集成芯片实现波形发生器。
这种信号发生器只需要很少外部元件就能产生多种波形信号且达到较高频率，且易于调试，制作简单。
方案三采用DDS（又称DDFS），即直接数字频率合成方案。
这是目前实际应用的任意波形发生器常采用的方案。
这种波形发生器能产生任意波形并达到很高频率，但成本较高。
综合以上三种方案，从性能和制作成本考虑，本设计采用方案二，即采用单片机控制键盘输入通过D/A转换控制单片函数信号发生芯片MAX038产生可调频率、幅度和占空比的波形信号。
第三章硬件单元模块方案论证及设计
3.1硬件单元模块方案论证
方案一：
采用机械式开关，应用最为普遍，价格低廉，操作简单，只需让两段需要导通的导体接触就可以使电路导通，但开关控制过程必须要有机械力的参与才能才能完成控制工作，响应时间决定于拨动的速度。
方案二：
采用电子模拟开关，模拟开关是一种三稳态电路，它可以根据选通端的电平，决定输人端与输出端的状态。
当选通端处在选通状态时，输出端的状态取决于输人端的状态；当选通端处于截止状态时，则不管输人端电平如何，输出端都呈高阻状态。
模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号的作用。
由于模拟开关具有功耗低、速度快、无机械触点、体积小和使用寿命长等特点。
其内部电路组成和工作原理如图4所示。
图4模拟开关的电路组成和工作原理
综上所述，本设计技术要求波型选择开关响应速度快，所以采用方案二，使用8选1模拟开关CD4051。
3.1.2D/A转换器的设计方案与论证
方案一：
按照输出类型的不同可以分为电压输出型和电流输出型器件。
电压输出型D/A转换器采用内置的输出放大器来实现低阻抗的输出，没有放大部分的延迟，可以做到很高的速度且一般用于高阻抗负载的情况下。
电流输出型D/A转换器则用得较少。
方案二：
按照接口类型的不同可以分为串行输出和并行输出器件。
并行D/A转换器的转换速度快，但占用I/O多。
串行D/A转换器输出建立时间相对于并行D/A转换器稍长，但芯片与CPU连接时使用引线少、电路简单，成本低。
方案三：
按照数字量的位数可以分为8位、10位、12位、16位等D/A转器，位数越大分辨率越大但相应的成本也越高。
综上所述，综合三个方案中选择性价比较好的D/A转换器，本设计采用ADC811。
3.1.3信号采样电路的设计方案
方案一：
采用并行A/D转换芯片，并行方式一般在转换后可直接接收，转换时间快但使用芯片的引脚比较多。
方案二：
采用串行A/D转换芯片，串行方式所用芯片引脚少，封装小，在PCB板上占用的空间也小，但需要软件处理才能得到所需的数据。
综上所述，结合本设计对数据采样的各项要求和单片机引脚的具体情况，采用TI公司的8位串行A/D转换芯片TLC549.通过单片机AT89S52产生满足时序要求的输入/输出时钟，以及对A/D芯片的片选控制，完成对整个A/D转换过程的控制。
TLC549具有8位分辨率模数转换，最大转换时间为17us,每秒访问和转换最多可达40000次，功耗低，可以满足本设计要求。
方案一：
采用LED数码管显示。
如果需要显示的内容较多，过多增加数码管的个数显然不可行，进行轮流显示则控制复杂，此外，数码管需要较多连线，使电路复杂，功耗比较大。
方案二：
采用带字库的液晶模块LCD12864显示。
可以显示字符、图片，利用单片机直接驱动液晶显示模块，设计简单，且显示界面宽大美观舒适，耗电小。
综上所述，本设计要显示的内容较多，所以选择方案二，采用LCD12864实时显示波形的型类、频率、占空比和幅度等功能。
方案一：
采用升压型稳压电路。
用两片MC34063芯片分别将3V的电池电压
进行直流斩波调压，得到+5V的稳压输出。
只需使用两节电池，既节省了电池又减小系统体积重量，但该电路供电电流小，供电时间短，无法保证系统长期稳定运作。
采用方案二：
电源
综上所述，选择方案二，采用环形变压器三端稳压器电路。
3.2硬件单元模块设计
3.2.1MAX038波形发生电路模块
MAX038的外围电路如下图5所示，引脚A0、A1接单片机I/O口，引脚COSC接电容选择电路，引脚REF是输出正2.5V电压，用作控制占空比的D/A转换器的基准电压输入，IN引脚是频率控制引脚，通过一个25K电阻与D/A转换器输出端相连。
图5MAX038的外围电路
若负载是容性较大的负载，则MAX038的输出端与一个50Ω的电阻相连。
由于MAX038的输出信号为恒定的2V（P-P）,且输出电流不高，所以必须依靠输出级的放大电路来提供足够的输出电压和电流，由放大电路和A/D转换芯片组成数据采样系统则可以实现数据采样。
所以设计应该满足以下要求：
（1）首先，要求放大电路具有很高的频宽。
因为输出信号最大基频为20MHz，起三角波和矩形波的高次谐波成分很高，只有高频宽才能得到不失真的输出波形。
（2）其次，高频大信号放大要求放大电路有足够的输出电压转换速率。
（3）另外，要带动低阻负载，放大电路的电流输出能力也是个重要参数。
要在100
的负载上输出6V信号，则放大器至少要有60mA的连续电流输出能力。
3.2.2CD4051模拟开关电路
CD4051开关电路见图6。
CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。
其真值表见表1。
“EN”是禁止端，当“EN”=1时，各通道均不接通。
此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。
图6CD4051开关电路
表1真值表
输入状态
接通通道
EN
C
B
A
0
0
0
0
“0”
0
0
0
1
“1”
0
0
1
0
“2”
0
0
1
1
“3”
0
1
0
0
“4”
0
1
0
1
“5”
0
1
1
0
“6”
0
1
1
1
“7”
1
均不接通
3.2.3D/A转换电路模块
D/A转换电路由DAC0832外围电路组成，分别与AT89S52的P0口,P2.7、P3.6和LM324相连。
如图7所示。
图7DAC0832的D/A转换电路
3.2.3输出信号采样电路模块设计
输出信号采样电路模块设计由一片AD811和TLC549构成，分别与单片机P2.3、P2.4和P2.5脚连接，如图8所示，其中AD811将输出 模拟信号放大，模拟输入信号（ANALOGIN）经过TLC549内部采样/保持器至8-bit逐次比较式A/D转换器。
片选控制端（CS_，低有效）和输入/输出时钟端（I/OCLOCK）与独立的内部系统时钟通过内部逻辑控制电路，实现外部接口与内部的数据传输，通过单片机从而实现波形幅度的控制。
图8输出信号采样电路模块设计
3.2.3LCD12864显示电路设计
如图9所示，显示电路采用带字库的点阵图形液晶模块LCD12864，可以显示汉字、字符和图形等。
且功耗很低，显示效果美观。
LCD12864的D0～D7接单片机P0口，RS、RW和E分别接P2.3、P2.4和P2.5口。
可调电阻R9用来调节LCD显示屏的亮度。
图9LCD12864显示电路设计
3.2.44*4矩阵键盘输入电路模块
输入电路模块采用4*4矩阵键盘输入，如图10所示，行列分别与单片机的P1口连接。
按键设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。
对键盘的工作过程可分两步：
第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是消抖；第三步是识别是哪一个键按下。
检测键盘上有无键按下可采用查询工作方式、定时扫描工作方式和中断工作方式。
图104*4矩阵键盘输入电路
3.2.4电源模块的设计
电源电路是用环形变压器三端固定稳压器获得±5V电源，+5V用7805输出，-5V用7905输出，环形变压器的电压经过三端固定稳压器，再经整流桥整流，用电容滤掉高频成分。
如图11：
图11±5V稳压电源电路
单片微机控制电路如图12所示。
单片微机ATS8952用于控制整个系统的运行控制，计算处理由单元电路传送来的数据并输出。
图12单片微机控制电路
第四章系统软件设计及分析
4.1系统流程分析
4*4键盘输入全部用作功能键，键盘具体划分如下：
第一行主要功能是占空比调节，有微调加1、粗调减5、粗调加5、占空比50%；第二行主要功能是频率的调节，有频段选择，微调加1，粗调加10，微调减1；第三行实现其他功能，有波形选择，幅度刷新。
先输入功能键然后按照要求执行程序。
其中D2是选择MAX038产生的波形，D1是计算和输出频率，D0是控制波形占空比，单片机通过CD4051控制频段范围，在选择的频段范围内通过设定的按键步进调节就可以得到需要的信号。
频率数值设定在10~2.4MHz范围内直接送到LCD12864显示。
表2波形选择关系
波形选择逻辑关系表
数值
A0
A1
输出波形
0
0
0
方波，脉冲波
1
X
1
正弦波
2
1
1
三角波，锯齿波
表3键盘界面
键盘操作界面
微调+
粗调-
粗调+
占空比50%
频段
微调+
粗调+
微调-
波形
幅度刷新
首先由
=
/
，电流
由0.5V～5V通过电阻R12=25K，得到20～200μA的电流，抛开重叠的频段不计，
表4MAX038频率范围及电容关系图
在D/A转换部分和波形发生部分则根据以下公式计算：
控制频率D/A转换器公式：
电路的振荡频率为：
=
（1-0.2915
）=
（1-0.2915
）/
由于电路原因以及程序问题，设计的波形发生器产生的波形的频率、振幅等不可能如理论那么准确。
4.2主体程序流程图
图13主体程序流程图
第五章系统调试及数据处理
5.1调试仪器
频率计：
SAMPOCN3165
数字万用表：
示波器：
5.2硬件电路电路的调试
整个系统硬件的调试有以下：
（1）电源电路采用环形变压器，减少电磁干扰，减少纹波系数获得较纯净和稳定的电源。
（2）显示电路中，为了获得较好的亮度，加上了一个10K的精密可调电阻，这样可以调节液晶模块的亮度。
（3）D/A转换电路中，为了保证D/A转换器总线在空余方式为高电平，两个DA转换器都要的数据线和时钟线都接上拉电阻与电源相连，并加一个去耦电容。
（4）MAX038的模拟电源和数字电源需要分开，供电时加上电容去耦，电源线相对长时要加上大电容滤波；同样模拟地和数字地的处理也要慎重，PCB板上要用低阻地平面分别将模拟地和数字地连接，再在某点连接两地。
（5）信号线要尽量布在焊接面，这样可减少信号间的干扰，这一点对系统的性能尤为重要，因为系统性能受MAX038的IN、FADJ、COSC、DADJ等引脚周围的分布电容及信号环境变化的影响特别敏感。
此外这些引脚线的长度和面积应尽量短小。
（6）在信号采样电路的的运算放大器的1脚和2脚并接一个330P的钽电容C80，这样，在高频的时候消除自激现象，波形得到明显改善。
（7）在高频线路中，电源去藕是一个关键问题。
整个线路往往会由于电源引线而产生电路谐振，当有大的瞬时变化时，也会产生尖峰干扰信号。
消除这2种现象的有效办法就是在片子的电源管脚与地之间加上适当的去耦电容。
5.3系统软件调试
系统软件调试是通过程序调节从而使电路系统更好的工作，以期得到更接近准确的数据，从而使电路工作输出更精确，更接近实际。
本设计主要有以下软件调试：
（1）在频率处理时，由于电路本身设计不足和外界的干扰，致使LCD12864显示的频率与用数字示波器观察得到的频率有一定的差别，但通过一组组的数据观察和比较，我们发现了其中的误差规律，一次次对数据进行记录、统计、分析、总结，进行了一次次的纠正，从而减小了误差。
（2）在D/A转换控制占空比的过程中，由于要取得双极性输出，需要用到两个运算放大器，在这过程中会损耗部分电压，这就使得理论计算得到的电压在输入MAX038的DADJ引脚时不准确。
因此占空比的输出也会有误差，为了减少误差需要在软件调试中加上所测得的损耗的电压，这样达到输出的占空比误差减小到最低。
（3）延时消除键抖动，就是说一旦发现有键按下，就延时25ms以后再测按键的状态。
这样就避免按键发生抖动的那一段时间，使CPU能可靠的读按键的状态。
键盘扫描中应防止误按按键的情况。
这种情况的发生通常是由于键扫描速度和键处理速度较快，当某一个按下的键还未松开时，键扫描程序和键处理程序就执行了。
为了防止发生这种情况，在键扫描程序中不仅要检测是否有按键按下，在有键按下的情况，作一次键处理，而且在键处理完毕后，还应检测按下的键是否松开，只有当按下的键松开以后，程序才往下执行。
这样每按一个键，只作一个键处理，使两者达到同步，消除按一次按键有多次键值输入的错误情况。
5.4数据处理
硬件电路完成后，对数据进行整理，用数字示波器显示的频率和振幅作为真实值（A0），波形发生器LCD12864显示的频率和振幅作为测量值（Ax），对两者进行观察、记录、统计、分析，我们发现，误差总是呈现一定的规律变化。
下面对两者显示的各个频段的的数据的比值（a=A0/Ax）、绝对误差（△A=A0-Ax）、相对误差（r=△A/A0）进行总结：
表5频率数据处理总结
数据处理总结
频段
测量频率的范围（单位：
Hz）
比值（a）
相对误差（r）
1
1~21
1.015269
0.015017
2
16~230
0.998332
-0.0017
3
99~2065
1.000058
4.99E-05
4
470~19500
0.998769
-0.00125
5
83550~203360
0.993446
-0.00666
6
21140~1263000
0.997919
-0.00222
7
858270~2400000
1.01313
0.011921
数据处理总结：
（1）由表4.3统计可得频率平均相对误差：
（0.015017+-0.0017+4.99E-05+-0.00125+-0.00666+-0.00222+0.011921）/7=0.002165
（2）另外，振幅（不加负载时）平均相对误差：
0.007342
当负载变化时（负载变化范围：
100Ω～∞），输出电压幅度变化在误差允许范围内（≤±3%），证明了波形发生器的稳幅输出功能。
波形发生器的频率数据统计时我们采用粗调+的方式读取数据，每一频段都读取25个数据进行统计。
比值（a）和相对误差（r）剔除坏值后再取平均值。
对数据统计时，特别在1KHz以下的频率，示波器显示的数据中最后一位或两位一般都不稳定，我们采取估读的方式来读取数据，这样获得的数据和真是值之间肯定存在一定的误差。
通过众多数据统计结果，我们证实波形发生器的误差很小，在设计要求的误差允许范围内，符合设计要求，能比较真实的反映情况。
5.5结论
第六章设计总结
6.1设计的小结
（1）本设计能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等几种周期性波形，并且可通过调节变形成其它相关波形。
（2）输出波形的频率范围为1Hz～2.4MkHz；可以通过键盘进行步进粗调和微调频率，通过外部中断可同步调节频率，具有在低频部分调节步进小，在高频部分大的特点。
（3）占空比在10%～90%范围内，可通过键盘进行步进粗调和微调，以及占空比50%可
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