正弦波信号电路设计.docx

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正弦波信号电路设计

正弦波、方波、三角波信号电路设计

本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，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。

一、电源：

根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。

因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。

可调式集成稳压器，常见的主要有CW317、CW337、LM317、LM337。

317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流

为。

稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。

其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。

LM317系列和LM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4-5和图4-6。

图4-5管脚图4-6典型电路

输出电压表达式为:

，此电压加于给定电阻

两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器

，电阻

常取值

，

一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。

图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10µF大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。

LM317其特性参数：

输出电压可调范围：

1.2V～37V

输出负载电流：

输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：

3～40V

能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

整体稳压电路原理图

二、主电路

〖方案一〗

由文氏电桥产生正弦振荡，这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小

文氏电桥振荡器正弦波发生器：

又称文氏电桥振荡器，如图1-3-1所示，其中A放大器由同相运放电路组成，图3-4-2，因此，

图3-4-1

图3-4-2

F网络由RC串并联网络组成，由于运放的输入阻抗Ri很大，输出阻抗Ro很小，其对F网络的影响可以忽略不计，从图3-4-3有

由自激振荡条件：

T=AF=1有

所以上式分母中的虚部必须为零，即

上式的实部为1，即

对图3-4-2同相运放，

须满足

以上分析说明：

1文氏电桥振荡器的振荡频率

，由具有选频特性的RC串联网络决定。

2图中文氏电桥振荡器的起振条件为

，即要求放大器的电压增益大于等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予补偿。

但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。

图3-4-3

〖方案二〗

利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。

8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。

由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uc的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。

8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。

另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。

该方案的特点是十分明显的：

⑴线性良好、稳定性好；

⑵频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；

⑶不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形；

⑷三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。

ICL8038芯片简介

性能特点

具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1％的失真度；三角波输出具有0．1％高线性度；具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。

ICL8038的应用

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。

〔1〕ICL8038电源电压范围宽，采用单电源供电时，V+-GND的电压范围+10-+30V；采用双电源供电时，V+-V-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，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，失真度还可降低到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原理简介

ICL8038采用DIP－14封装，管脚如下列图所示。

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。

图7-3ICL8038

电路分析：

　　由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供应，也可以由外部供应。

在初始阶段我们用以下几种由内部供应偏置电压调节的接线图对芯片进行测试，观察其特性，图7-4-1为基本接法，图7-4-2和图7-4-3图可调节占空比。

图7-4-1图7-4-2图7-4-3

在以上应用中，由于第7脚频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定，其频率为F，周期T，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。

　　　T＝t1＋t2　　　f＝1／T

　　由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的1／3倍，分得的时间为

　　t1=CV/I=（C+1/3•Vcc•RA）/（1/5•Vcc）=5/3RA•C

在电容放电时，电压降到比较器输入电压的1／3时，分得的时间为

t2＝CV／I＝（C＋1/3•VCC）/（2/5•VCCRB－1/5•VCC/RA）＝（3/5•RA＊RB•C）/（2RA－RB）

　　f＝1／〔t1＋t2〕＝3／｛5RAC［1＋RB／〔2RA－R〕］｝

对图6-1-1中，如果RA＝RB，就可以获得占空比为50％的方波信号。

其频率f＝3／〔10RAC〕。

针对以上电路失真无法调节的缺点，我们改良方案，实现正弦波正负失真的可调。

见图7-1-4，由于该芯片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。

下列图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，在安装调试中，我们选用两只100K的多圈精密电位器，反复调节，到达了很好效果的方波占空比调节、正弦波和三角波的对称调节。

图7-1-4：

失真和占空比可调

图7-1-5：

失真、占空比、频率可调

图7-1-4电路无法调节频率，我们采用外部供应频率调节电压的方式实现频率的可调,通过10k电位器，我们可以控制8端电压的调节范围2/3Vcc到Vcc。

ICL8038内部原理

ICL8038是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图7-2。

在图7-2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C1、C2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C1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C2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，假设I2=2I1，vc上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。

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，ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形

图7-2

内部原理电路框图

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，电容电压到达比较器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，假设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。

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。

正弦函数信号的失真度调节

　　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7-6-1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，可以到达很好的效果。

图7-6-1　正弦波失真度调节电路

ICL8038的典型应用

IC8038的典型应用电路见图7-7-1。

图中，R1、R2为定时电阻，均为可调式，阻值范围为1kΩ～1MΩ。

调节能改变振荡频率以及矩形波的占空比。

为定时电容，也影响振荡频率。

R3用来调整正弦波的失真。

由于第9脚为集电极开路输出，必须外接集电极负载电阻R4。

特别，当R1=R2=R时，I2=2I，即t1=t2，D=50%，此时输出为对称的方波、三角波和正弦波。

式子化简成:

fo=0.3/RC

如果在把第4、5两脚短接，经过一只公用的定时电阻R接V+，振荡频率的计算公式:

f

注意事项:

〔1〕用单电源供电时，三角波和正弦波的平均值等于V+/2，而方波幅度为V+。

用双电源供电时，所有输出波形相对于地〔GND〕电平均是正负相称的。

〔2〕方波输出的电压幅度不受V+的限制，也可以把负载电阻R4改接其它电源电压E+上，但E+不得超过+30V。

〔3〕为减小正弦波的失真，可将图3中的R3〔82kΩ〕换成100kΩ可调电阻。

还可以采用图5所示电路，该电路适合对振荡器作小范围调整〔R是调节电阻〕，并使正弦波

的失真度减小到0.5%以下，R4、R7为失真度调节电阻。