湖南工学院电子线路课程设计ICL8038.docx

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湖南工学院电子线路课程设计ICL8038

电子线路课程设计

——函数信号发生器

电气与信息工程系

电子信息工程技术

班级：

电信0801班

设计人：

唐淋

学号：

0840*******

指导老师：

雷美艳老师

同组搭档：

胡桂彪刘忠

前言

近这些年来，计算机技术进入了前所未有的快速发展时期。

而特别高集成电路作为一个子系统的应用，发展更是迅速，已成为新一代电子设备不可缺少的核心部件，其在现实生活中的运用也是非常普遍。

在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。

在日常维修、教学和科研中，函数信号发生器也是不可缺少的工具。

而在我们生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。

譬如在示波器、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，常用到锯齿波产生器作为时基电路。

函数发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。

但市面上能看到的电子仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。

加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种高精度、宽频带，能产生多种波形并具有程控等多功能函数发生器成为可能。

随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类益增多，性能日益提高，尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。

现在，许多信号发生器除带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能外还带有IEEE-488或RS232总线，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。

当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。

我们长期使用的信号发生器，大部分是由模拟电路构成的，这类仪器作为信号源，频率可达上百MHz，在高频范围内其频率稳定性高、可调性好。

但用于低频信号输出时，它所需要的RC值很大，参数准确度难以保证。

而且其体积大，可靠性差，准确度低，损耗也大。

随着大规模集成电路技术的发展，集成度不断提高，使得微型机的速度和性能大为提高，可靠性增加，成本降低。

本课题设计使用的是以ICL8038集成块为核心器件构成的发生器，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、矩形波等多种波形。

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。

本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。

目录

第1章模电课程设计任务书……………………………………………5

1、1设计任务…………………………………………………………5

1、2设计目的…………………………………………………………5

1、3设计要求与技术指标……………………………………………5

第2章简易函数发生器的说明…………………………………………6

第3章问题的分析与方案论证…………………………………………6

3、1〖模型一〗………………………………………………………6

3、2〖模型二〗………………………………………………………7

3、3〖模型三〗………………………………………………………7

3、4〖模型四〗………………………………………………………8

第4章理论分析与设计方案的建立……………………………………8

4、1ICL8038的工作原理……………………………………………8

4、2ICL8038组成函数发生器的应用………………………………9

第5章电路设计说明……………………………………………………10

5、1电路设计图……………………………………………………………10

5、2电路PCB图……………………………………………………………11

5、3原理说明………………………………………………………………11

5、4电路参数的选择………………………………………………………12

5、5电路的EDA实现及仿真分析…………………………………………12

第6章电路的调试与检测………………………………………………14

6、1电子安装的检查…………………………………………………14

6、2通电观察…………………………………………………………14

6、3单元电路调试……………………………………………………14

6、4动态调试…………………………………………………………14

6、5调试中注意的事项………………………………………………15

第7章实验数据及其分析………………………………………………16

第8章元件清单………………………………………………………17

第9章模型的评价与改进………………………………………………17

第10章实验设计总结与体会……………………………………………18

附录APCB板的制作…………………………………………………19

附录B焊接技术………………………………………………………20

参考文献

第1章电子线路课程设计任务书

1、1设计任务

1、进行设计方案的比较，并选定设计方案；

2、完成电路的设计和主要元器件说明；

3、完成硬件原理图设计和PCB图设计；

4、安装各单元电路,要求布线整齐,美观。

1、2设计目的

1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术。

2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。

3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

1、3设计要求与技术指标

1、设计要求

A、电路能输出正弦波（选做）、方波（必做）和三角波（必做）等三种波形；

B、输出信号的频率要求可调；

C、拟定测试方案和设计步骤；

D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；

E、在面包板上或万能板上安装电路；

F、测量输出信号的幅度和频率；

H、写出设计性报告。

扩展要求：

输出信号的幅度和频率要求连续可调，幅度范围为0-5V，频率范围100Hz-10KHz。

2、技术指标

频率范围：

100Hz-1KHz，1KHz-10KHz；输出电压：

方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P=1V（选做）；方波Tr小于30uS。

第2章简易函数发生器的说明

函数信号发生器，也叫简易信号发生器，它能输出稳定的正弦波、三角波、方波，且输出频率在100Hz～1KHz范围内连续可调,输出电压幅度在0~5V连续可调，由正负12V直流稳压电源供电。

它由震荡电路，比较器，积分器，反向器等基本电路组成的，通过调节电容或者电阻改变波形的频率和幅值。

本课题设计对函数发生器的几个设计方案进行了分析比较，最终采用芯片ICL8038构成函数信号发生器电路，741构成功率放大电路可同时输出符合要求的方波、三角波和正弦波，频率调节范围大，正弦波失真小，制作简单，价格低廉，使用方便。

关键词：

ICL8038，波形，原理图，信号发生器，波形调整。

第3章问题的分析

函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形，其电路中使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ICL8038）。

所以可确定多种方案。

3、1〖模型一〗

此方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。

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。

但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：

显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。

而这是电路所不希望的。

幅度稳定性难以达到要求。

而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。

3、2〖模型二〗

也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波。

如下框图所示。

由积分器和比较器同时产生三角波和方波。

其中比较器起电子开关的作用，将恒定的正、负极性的

电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。

该电路的优点是：

1线性良好、稳定性好；

2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；

3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；

4三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。

3、3〖模型三〗

用单片集成芯片IC8038实现，此方案要求幅度和频率都可调，可由数字电位器加程控放大器实现。

它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，其震荡频率可以通过外加电压进行调节，又称压控集成信号产生器。

利用8038芯片的优点是十分明显如下

①、集成度比较高，输出稳定，

②、构成的电路简单，所用的元件少，经济实惠。

③、函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡和FSK调制器。

④、具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；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。

3、4〖模型四〗

用单片机和A/D转换器实现，编写相应的程序即可实现。

如采用一片AT89S51单片机和DAC0832数模转换器组成的智能数字式低频信号发生器。

按用户的需要，选择运行不同的程序，将会得到不同的波形信号。

再在DAC0832输出端加上一些电压变换电路以及放大整形电路，就完成了一个频率可调的多功能信号发生器的设计。

考虑到实验电路的简单及其稳定性，我们用集成芯片IC8038来实现信号发生器的设计。

第4章理论分析与设计方案的建立

4、1IC8038的工作原理

采用8038集成电路，它的内部结构和外观图如下面图一和图二所示，

图3-1ICL8038内部原理电路框图

图3-28038管脚图

管脚说明：

1.正弦波线性调节；2.正弦波输出；3.三角波输出；4.恒流源调节；5.恒流源调节；6.正电源；7.调频偏置电压；8.调频控制输入端；9.方波输出（集电极开路输出）；10.外接电容；11.负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14.空脚

在图一中，由手册和有关资料可看出，IC8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器①等组成。

电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（其中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Q端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。

若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。

当I1

因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。

4、2ICL8038组成函数发生器的应用

由图3-2可见，管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是（VCC+VEE/5），它可作为管脚8的输入电压。

此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用10k左右，如图3-3所示。

当电位器Rp1动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。

电路的振荡频率f约为0.3/[C（R1+RP1/2）]。

调节RP1、RP2可使正弦波的失真达到较理想的程度。

在图3-3中，当RP1动端在中间位置，断开管脚8与7之间的连线，若在+VCC与-VEE之间接一电位器，使其动端与8脚相连，改变正电源+VCC与管脚8之间的控制电压（即调频电压），则振荡频率随之变化，因此该电路是一个频率可调的函数发生器。

如果控制电压按一定规律变化，则可构成扫频式函数发生器。

图3-2电路图

第5章电路设计说明

5、1电路设计图

由以上理论分析及技术指标可设计ICL8038组成的函数发生器电路实验图如下图4-1所示：

图4-1函数发生器实验电路原理图

在电路设计的提高部分我们增加了调幅电路。

5、2电路PCB图

生成PCB图如下：

图4-2函数发生器PCB图

5、3原理说明

由图三和图四及8038的原理结构可以知道，通过改变电容可以调节整个波形的频率范围，这是粗调，相对而言，调节R1可是达到某个频率，这是细调。

7脚和8脚短节可以使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。

依题意有T＝1／f＝t1＋t2　

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•

）/（1/5•Vcc）=5/3

•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•Vcc

－1／5•Vcc／

）

　　＝（3／5•

＊

•C）／（2

－

）

f＝1／（t1＋t2）＝3／｛5

C［1＋

／（2

－R）］｝

如果

＝

，就可以获得占空比为50％的方波信号。

其频率f＝3／（10

C）。

按照设计要求，方波VP-P≤24V，三角波VP-P=6V，正弦波VP-P=1V，在8038的2、3、9脚后面接调幅电路。

可以通过选择拨码开关实现，两个741芯片组成两极放大电路，调节R1和R2改变比例系数来实现电压的放大。

5、4电路参数的选择

通过以上分析，可以选取以下元件的值来实现设计要求。

R0=R1=R2=10KR3=30KR4=R5=R6=R7=5K

C0=C1=0.1uFC2=0.01uFC3=4700pF

VR0=50KVR1=100KVR2=1KVR3=10KVR4=50K

放大环节采用uA741集成运放2个

5、5电路的EDA实现及仿真分析

输出瞬态分析：

通过在1K～10K的范围内对电位器

的调节，我们可以得到频率覆盖1K～10KHz的各输出波形。

两个边界频率的瞬态分析结果见以下诸图（Protel99SESIM99仿真）：

（10KHz三角波0dB–20dB–30dB输出图）

（10KHz方波0dB–20dB–30dB输出图）

（10KHz正弦波0dB–20dB–30dB输出图）

（1KHz三角波0dB–20dB–30dB输出图）

（1KHz方波0dB–20dB–30dB输出图）

（1KHz正弦波0dB–20dB–30dB输出图）

第6章电路的调试与检测

交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。

一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。

因此，电子电路的调试有静态和动态调试之分。

静态调试过程：

例如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。

调试的常用仪器有：

万用表、示波器、信号发生器。

6、1电子安装的检查：

电路安装完毕，首先直观检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件有无接错。

（1）连线是否正确

a.按照电路图检查安装的线路

这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。

b.按照实际线路来对照原理图电路进行查线

这是一种以元件为中心进行查线的方法。

把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。

为了防止出错，对于已查过的线通常应在电路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。

（2）元器件的安装情况

检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。

6、2通电观察

把经过准确测量的电源接入电路。

观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。

6、3单元电路调试

在调试单元电路时应明确本部分的调试要求，按调试要求测试性能指标和观察波形。

调试顺序按信号的流向进行，这样可以把前面调试过的输出信号作为后一级的输入信号，为最后的整机联调创造条件。

电路调试包括静态和动态调试，通过调试掌握必要的数据、波形、现象，然后对电路进行分析、判断、排除故障，完成调试要求。

6、4动态调试

调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。

发现故障应采取各种方法来排除。

通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数做合理的修正。

1、频率范围的测试

接通电源，用示波器对电路实物进行测试。

将示波器输入端接入信号，调节电位器VR1，测得其频率范围为：

300HZ～3.6KHZ。

2、方波的测试

将示波器输入端接9脚，可得到方波的输出波形，其输出电压

VP-P=20.1V。

输出波形如图6-1所示：

图6-1

3、三角波的测试

将示波器输入端接3脚，可得到三角波输出波形，由于三角波的幅度可调，所以调节VR2，可得到三角波的Vpp为：

7.5V。

输出波形如图6-2所示：

图6-2

4、正弦波的测试

将示波器输入端接2脚，可得到正弦波输出波形，由于正弦波的幅度可调，所以调节VR3，可得到正弦波的Vpp为：

5.0V。

输出波形如图6-3所示：

图6-3

6、5调试中注意的事项

为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。

为此，需注意以下几点：

（1）正确使用测量仪器的接地端

（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。

因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。

（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

要正确选择测量点。

（4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。

（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。

记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。

只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。

因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。

我们应该认真检查.

调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。

第7章实验数据及其分析

在检测实验成品的性能过程中，我们考虑到某些频率段的失真度比较大。

故只用两个主要的频率段进行测量和分析，在此，请读者谅解！

在示波器中，其中的波形幅值分两种档位：

10×和1×。

数据

波形

频段选择

C=4700PF（f=1k~10kHz）

C=0.01μF（f=100~1kHz）

档位

10×

1×

三

角

波

f（频率）

4000Hz

701.8Hz

Vp-p

7.8V

800mV

Vmax

4.24V

440mV

Vmin

-3.60V

-360mV

占空比

50%

49.1%

方

波

f（频率）

4008Hz

699.3Hz

Vp-p

16.8V

1.68V

Vmax

9.4V

811mV

Vmin

-7.4V

-718mV

占空比

49.7%

50%

正

弦

波

f（频率）

4000Hz

701.8Hz

Vp-p

5V

540mV

Vmax

2.44V

286mV

Vmin

-2.56V

-168V

占空比

48.8%

43.5%

在数据的测试当中，我们可以看出正弦波的失真度比较大，在测频率1~100Hz时，整个电路所测出的波形都有很大的失真，故不测出其结果。

把此数据与上面仿真结果得到我们的电路还存在很多问题，分析其中原因正如在直流稳压源的设计报告中也存在同样的问题

第8章元件清单

本设计所需元件及器材如下：

名称

数量

ICL8038芯片

一个

LM741芯片

两个

无极性电容4700pF

一个

无极性电容0.1uF

两个

无极性电容0.01uF

一个

精密电位器50K

两个

精密电位器10K

一个

精密电位器1K

一个

精密电位器100K

一个

电阻10K30K5K

八个

缚铜板

一块

镊子

一个

尖嘴钳

一个

斜口钳

一个

数字万用表

一个

三氯化铁

若干

排插

若干

第9章模型的评价与改进

本课题设计的函数信号发生器在低频范围内性能好，高频则有缺陷，并且体积较大，价格较高。

假如利用模型四则可弥补模型三的一些小小的不足，模型四的优点是：

体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。

第10章实验设计总结与体会

通过本篇论文的设计，使我们对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。

通过这次课程设计，让我的理论联系实际能力、设计电路能力、实际操作能力以及正确的处理数据、分析和综合实验结果，检查和排除故障的能力有了大大的提高，并且巩固了我的理论知识，起到了双重效果。

通过这次课程设计，让我知道了怎样画PCB图和电路的EDA实现及仿真分析。

在制板过程中需要耐心，在焊接其电路图时更要特别小心。

要想做出一个实用的实物来，并不是自己想象中的那样简单。

其一，我们必须掌握一些必备的常识，比如，三极管引脚的判定以及电阻值的判定。

其二，我们必须用科学的态度对待我们在实验中所遇到的问题，应该以作为一个工程人员应用的素质去面对，发现问题，解决问题。

在实验时应保持冷静，测试有条理