多波形信號發(fā)生器設(shè)計摘要以ICL8038為核心的多功能波形發(fā)生器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點，只需外接少量元件，便可產(chǎn)生精確的正弦波、方波和三角波信號，同時也能產(chǎn)生其他有用的波形。隨著集成電路的快速發(fā)展，用ICL8038可以很方便的產(chǎn)生多種波形。與其他型號發(fā)生器相比它有很多優(yōu)點，在通信工程，電子工程，自動控制，遙感控制的學(xué)科有非常廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞ICL8038；壓控振蕩；低失真；頻率調(diào)制DESIGNOFMOREWAVESIGNALGENERATORABSTRACTREPAIRINGENERGYSAVINGCOLORCOMPUTERMONITORSWITHASPECIALLYDESIGNEDSIGNALGENERATORCANAVOIDTHERISKOFDISPLAYADAPTORDAMAGE,ITALLOWSTHESWITCHONANDOFFOFTHEMONITORWHENINNEEDWITHOUTWORRYINGABOUTTHESAFETYOFTHESIGNALGENERATOR,THUSBRINGSABOUTGREATCONVENIENCETOTHEREPAIRINGSUCHASIGNALGENERATORCANBEREALIZEDWITHAFREEOSCILLATOROF7555TIMEBASEIC,FFOF7555TIMEBASEIC,ANDAFREQUENCYDIVISIONCIRCUITOFACD406014STAGEBINARYSERIALCOUNTERANDA74LS1612BITBINARYSYNCHRONOUSCOUNTERKEYWORDSICL8038VOLTAGECONTROLLEDOSCILLATIONLOWDISTORTIONFREQUENCYMODULATION目錄引言11多波形信號發(fā)生器的構(gòu)成12多波形信號發(fā)生器電路設(shè)計221ICL8038簡介2211ICL8038管腳功能2212ICL8038工作原理2213ICL8038的應(yīng)用322多波形信號發(fā)生器電路設(shè)計4221占空比電路4222頻率調(diào)節(jié)電路5223輸出波形選擇電路7224信號輸出電路7225電源電路8226系統(tǒng)總電路的設(shè)計83多波形信號發(fā)生器電路仿真84多波形信號發(fā)生器電路的安裝與調(diào)試95結(jié)束語和展望10致謝10參考文獻11附錄A12附錄B12引言波形發(fā)生器作為實驗用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗、設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)方式上經(jīng)常采用分立元件555時基電路等產(chǎn)生正弦波、三角波和方波。振蕩IC是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專用集成電路，當(dāng)調(diào)節(jié)外部參數(shù)時，可以獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。因此，專門集成電路廣泛應(yīng)用于儀器儀表之中。信號發(fā)生器根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的發(fā)生器,其電路中使用的器件可以是分離器件,也可以是集成器件,產(chǎn)生方波、正弦波、三角波的方案有多種,如先產(chǎn)生正弦波,根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關(guān)系,再通過整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波,經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣?。也可以先產(chǎn)生三角波方波,再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。上世紀(jì)70年代前，信號發(fā)生器主要有兩類正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、方波、三角波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，到上世紀(jì)90年代末，出現(xiàn)了幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器。而在現(xiàn)今，對于波形發(fā)生器的要求向著更多元的方向發(fā)展不僅需要高速，高精度的，也更多需要價格便宜，功能相對簡單的多波形信號發(fā)生器，以適用于各種對頻率要求不高的特殊的場合。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,新材料新器件層出不窮,器件的可選擇性大大地增加,例如ICL8038就是一種技術(shù)上很成熟的，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的芯片。1多波形信號發(fā)生器的構(gòu)成基于ICL8038的多波形信號發(fā)生器構(gòu)成如圖11所示。采用8038單片壓控函數(shù)發(fā)生器，8038可同時產(chǎn)生正弦波、方波和三角波。改變8038的調(diào)制電壓，可以實現(xiàn)數(shù)控調(diào)節(jié)，其振蕩范圍為10HZ50KHZ1。2多波形信號發(fā)生器電路設(shè)計21ICL8038簡介ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進工藝制成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、精度高、易于使用等優(yōu)點，外部只需接入很少的元件即可工作，可同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外電壓控制，可被應(yīng)用于壓控振蕩等波形發(fā)生電路。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需要少量的外部元件就能產(chǎn)生從0001HZ30KHZ的低失真正弦波、三角波、矩形波信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外該芯片具有調(diào)制信號輸入端，可以用來調(diào)制低頻信號的頻率。211ICL8038管腳功能頻率選擇控制ICL8038幅度控制方波波正弦波三角波方波直流電源圖11多波形信號發(fā)生器的構(gòu)成ICL8038各個管腳功能如下腳1、12（SINEWAVEADJUST）正弦波失真度調(diào)節(jié)；腳2（SINEWAVEOUT）正弦波輸出；腳3（TRIANGLEOUT）三角波輸出；腳4、5（DUTYCYCLEFREQUENCY）方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)；腳6（V）正電源10V18V；腳7（FMBIAS）內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓；腳8FMSWEEP外部掃描頻率電壓輸入；腳9（SQUAREWAVEOUT）方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)；腳10（TIMINGCAPACITOR）外接振蕩電容；腳11（VORGND）負(fù)電源或地；腳12正弦波波谷平滑度及谷值調(diào)整，由此引腳電位控制，主要用于正弦波失真調(diào)節(jié)。腳13、14（NC）空腳。ICL8038的引腳排列如圖21所示2。212ICL8038工作原理函數(shù)發(fā)生器ICL8038的電路結(jié)構(gòu)如圖22所示，共有五個組成部分。兩個電流源的電流分別為IS1和IS2，且IS1I，IS22I；令VSVCCVEE（下文均使用），則兩個電壓比較器和的閾值電壓分別為2VS/3和VS/3，它們的輸入電壓等于電容器C兩端的電壓UC，輸出電壓分別控制RS觸發(fā)器的端和端；RS觸發(fā)器的狀態(tài)輸出端Q和用來控制開關(guān)S，實現(xiàn)對電容C的充、放電，充電電R流的大小由外接電阻決定。當(dāng)IS1IS2時，輸出三角波，否則為鋸齒波。兩個緩沖放大器用于隔離波形發(fā)生電路和負(fù)載，使三角波和矩形波輸出端的輸出電阻足夠低，以增強帶負(fù)載能力，三角波變正弦波電路用于獲得正弦波電壓。當(dāng)給函數(shù)發(fā)生器ICL8038合閘通電時，電容C的電壓為0，根據(jù)電壓比較器的電壓傳輸特性，電壓比較器和的輸出電平分別為0、1；因而RS觸發(fā)器的輸出Q0，使開關(guān)S斷開，電流源IS1對電容充電，充電電流為IS1I，因充電電流是恒流，所以，電容上電壓UC隨時間的增長而線性上升。當(dāng)上升為VS/3時，電壓比較器輸出為0電平，但Q保持原狀態(tài)不變。一直到上升到2VS/3時，使電壓比較器的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖?，此時RS觸發(fā)器的R0，S1時，Q1時，導(dǎo)致開關(guān)S閉合，電容C開始放電，放電電流為IS2IS1I因放電電流是恒流，所以電容上電壓UC隨時間的增長而線性下降。圖21ICL8038管腳圖起初，UC的下降雖然使RS觸發(fā)的S端從高電平躍變?yōu)榈碗娖?，但其輸出Q不變。一直到UC下降到VS/3時，使電壓比較器的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖?，此時S0，R1，Q0，使得開關(guān)S斷開，電容C又開始充電，重復(fù)上述過程，周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。由于充電電流與放電電流數(shù)值相等，因而電容上電壓為三角波，Q為方波，經(jīng)緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。當(dāng)外接電容C可由兩個恒流源充電和放電，電壓比較器、的閥值分別為總電源電壓（指VCC、VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，但必須I2I1。當(dāng)觸發(fā)器的輸出Q為低電平時，恒流源I2斷開，恒流源I1給C充電，它的兩端電壓UC隨時間線性上升，當(dāng)達到電源電壓的確2/3時，電壓比較器I的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出Q由低電平變?yōu)楦唠娖?，恒流源I2接通，由于I2I1設(shè)I22I1），I2將加到C上進行反充電，相當(dāng)于C由一個凈電流I放電，C兩端的電壓UC又轉(zhuǎn)為直線下降。當(dāng)它下降到電源電壓的1/3時，電壓比較器輸出電壓便發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出為方波，經(jīng)反相緩沖器由引腳9輸出方波信號。C上的電壓UC，上升與下降時間相等（呈三角形），經(jīng)電壓跟隨器從引腳3輸出三角波信號。將三角波變?yōu)檎也ㄊ墙?jīng)過一個非線性網(wǎng)絡(luò)（正弦波變換器）而得以實現(xiàn)，在這個非線性網(wǎng)絡(luò)中，三角波的兩端變?yōu)槠交恼也ǎ瑥?腳輸出3。213ICL8038的應(yīng)用ICL8038是精密波形產(chǎn)生與壓控振蕩器，其基本特性為可同時產(chǎn)生和輸出正弦波、三角波、鋸齒波、方波與脈沖波等波形；改變外接電阻、電容值可改變輸出信號頻率，輸出信號的頻率范圍可為0001HZ300KHZ；正弦信號輸出失真度為1；三角波輸出的線性度小于01；占空比變化范圍為298；外接電壓可以調(diào)制或控制輸出信號的頻率和占空比（不對稱度）；頻率的溫度穩(wěn)定度（典型值）為120（ICL8038ACJD）250（ICL8038CCPD）；對于電源，單電源610610（V）1030V，雙電源（V）（V）5V15V4。22多波形信號發(fā)生器電路設(shè)計設(shè)計的核心是信號的設(shè)計問題，其中包括信號頻率的設(shè)計、信號種類的設(shè)計、控制信號幅度及系統(tǒng)電源電路的設(shè)計。221占空比電路圖22ICL8038內(nèi)部原理框圖根據(jù)ICL8038的結(jié)構(gòu)電路（見圖22）可知，通過改變電容的充放電即可改變輸出波形的占空比或?qū)ΨQ性，電容的充放電時間不僅與電容的大小有關(guān)系還與電路中流入的電流大小有關(guān)系，而在外部電容確定不變的情況下，電容的充電與放電時間與4、5管腳所接電阻值有關(guān)系，在ICL8038芯片7、8腳短接的情況下，假設(shè)4腳外接電阻大小為RA，5腳外接電阻大小為RB，由ICL8038內(nèi)部電路（見附錄A）可知其內(nèi)阻R1等于11K，R2等于39K，在電流源I1對電容進行充電時，電流源1電流為I1，電流源2電流為I2，電容充電時間為T1，放電時間為T2，占空比為D，因此可得其關(guān)系如下電流源I1對電容充電電流大小為21AS1RVI電流源I2對電容充電電流大小為21B2I占空比D等于高電平時間比總時間為21TD由以上兩等式即可得到通過改變4、5腳的外接電阻的值來改變電容的充電時間，從而使得觸發(fā)器在一次充放電過程完成的時間與電阻值的大小有關(guān)，即可根據(jù)電阻的大小來改變輸出波形的占空比，因此電路設(shè)計為如上23所示，在4、5管腳之間連接一個可調(diào)節(jié)的電位器，通過調(diào)節(jié)電位器的電阻值來改變4、5腳的外接電阻值的大小從而實現(xiàn)對占空比的調(diào)節(jié)5。222頻率調(diào)節(jié)電路根據(jù)ICL8038的結(jié)構(gòu)電路可知，ICL8038的內(nèi)部具有一個電壓比較器和一個觸發(fā)器，電壓比較器管腳和外部電容C相連接，電壓比較器的輸入電壓由電容充電得到，電容充電由ICL8038內(nèi)部恒流源I1進行充電，當(dāng)電容充電到達2VS/3的時候ICL8038內(nèi)部開關(guān)S1由斷開轉(zhuǎn)換為閉合，電容C經(jīng)過恒流源I2進行放電，當(dāng)電容電壓下降至VS/3時比較器復(fù)位觸發(fā)器，使得S1由接通轉(zhuǎn)化為斷開，再由恒流源對電容進行充電，這樣就完成了一次的振蕩，如此循環(huán)就產(chǎn)生了穩(wěn)定的振蕩頻率輸圖23占空比調(diào)節(jié)電路圖24頻率調(diào)節(jié)電路出。而振蕩頻率由電容充電時間決定，電容的充電時間由電容的大小及流入電容的電流大小決定，因此可得如下關(guān)系恒流源對電容充電（見圖22），單位時間電壓增量為1DTCV1電容C上電壓從VS/3增至2VS/3時間為21S3I恒流源I2對C放電時間為321S23ICVT恒流源I1的電流大小為421AS1RI其中R111K，R239K均為ICL8038內(nèi)阻，可有芯片結(jié)構(gòu)圖得到。將4式帶入2試得恒流源I1對電容C充電時間為5CRVTAS12A153恒流源I2對電容C的放電電流為621BSRI將46式帶入3式得恒流源I2對C的放電時間為7BA5TICL8038產(chǎn)生正弦波頻率為821TF將57帶入8式，取RARBR得9RCF30由9式可知在改變外部電容大小的情況下即可改變輸出信號頻率的大小，因此信號選擇電路設(shè)計為圖24，通過一個單刀四擲開關(guān)，每次選通一個電容接入電路中，即可由接入的電容值的大小產(chǎn)生相應(yīng)頻率的信號6。ICL8038的最佳工作狀態(tài)為充電電流I11MA，要輸出信號頻率在10HZ到50KHZ范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，根據(jù)9式若頻率取最小值10HZ，則T01S，取T1T2005S，VS取12V由2得C為125UF，取10UF，則由9式得RARBR330K，電阻大小還可根據(jù)電路24調(diào)節(jié)。若要頻率為15KHZ，則T0067MS，取TT20033MS，VS取12V由2得C為000825UF,取0008UF，則由9式得RARBR275K，電阻大小還可根據(jù)電路24調(diào)節(jié)。若要頻率為30KHZ，則T0033MS，取TT20016MS，VS取12V由2得C為0004UF,取0003UF，則由9式得RARBR36K，電阻大小還可根據(jù)電路24調(diào)節(jié)。若要頻率為45KHZ，則T0022MS，取TT20011MS，VS取12V由2得C為00027UF,取0002UF，則由9式得RARBR36K，電阻大小還可根據(jù)電路24調(diào)節(jié)。輸出信號頻率可根據(jù)滑動變阻器R進行調(diào)節(jié)，通過改變ICL8038芯片的8腳輸入電壓從而對輸出信號頻率的頻率進行調(diào)節(jié)12。223輸出波形選擇電路如圖25所示，ICL8038芯片的2管腳輸出正弦波信號，3管腳輸出鋸齒波信號，9管腳輸出方波信號，要通過輸出部分對其進行選擇輸出相應(yīng)的信號，因此只需要在某一時刻選擇2、3或9管腳中的一個作為輸出即可，因此本電路設(shè)計為將2、3、9管腳接單刀三擲開關(guān)，通過開關(guān)在某一時刻只選通一個波形信號作為輸出，形成波形選擇電路7。224信號輸出電路如圖26所示，由于設(shè)計要求要達到在對信號輸出大小在10MV5V范圍內(nèi)輸出，而ICL8038芯片的輸出信號大小僅在毫伏級別，因此就需要一個外接的信號放大電路對ICL8038的輸出信號進行放大，如圖27所示，本設(shè)計采用集成運算放大器對信號的幅值進行放大，集成運算放大器采用OP07，運用OP07運算放大器構(gòu)成反相比例運算電路，對輸出的信號大小進行比例運算，從而即可輸出幅值范圍在10MV5V范圍的信號大小，反相比例運算放大電路的輸出信號的大小如下，通過改變反相比例運算電路的反饋電阻RF的大小即可根據(jù)RF與輸入電阻R的比值關(guān)系得到輸出電壓的大小，其關(guān)系具體如下圖26信號輸出電路圖25輸出波形選擇電路UORFUI/RI其中UI為ICL8038輸出信號經(jīng)過信號選擇電路得到的輸入電壓，UO為通過運算放大器進行比例運算得到的輸出電壓，OP07輸出電壓范圍為012V因此滿足本設(shè)計的輸出要求8。225電源電路如圖27所示，電源電路由變壓器B2、整流管D1D4、電容C1C8及三端穩(wěn)壓器MC7812和MC7912組成,首先將220V交流的電網(wǎng)電壓經(jīng)過變壓器T進行降壓輸出得到交流15V的輸出電壓，然后講交流15V的電壓通過大電容的充放電過程對其進行濾波，得到相對平滑的輸出電壓，在將其輸入到LM78012和LM7912三端穩(wěn)壓器器，通過三端穩(wěn)壓器進一步濾波，得到穩(wěn)壓器輸出的12V電壓，最后將得到的輸出電壓經(jīng)過兩個電容分別為10UF電解電容和01UF電容進行濾波，最后得到穩(wěn)定的12V電源電壓作為系統(tǒng)的電源輸入電壓9。226系統(tǒng)總電路的設(shè)計基于ICL8038的信號發(fā)生器電路如圖28所示。圖28基于ICL8038的信號發(fā)生器3多波形信號發(fā)生器電路仿真PTOTEUS中電路仿真設(shè)計圖如圖31所示。圖23基于ICL8038的信號發(fā)生器圖23基于ICL8038的信號發(fā)生器圖27系統(tǒng)電源電路圖31仿真電路的設(shè)計根據(jù)電路的原路，在PROTEUS里選擇合適的器件，連接電路如上圖，進行電路系統(tǒng)仿真。仿真波形如下圖32、圖33和圖34所示。方波輸出，UPP4V，頻率在10HZ50KHZ范圍內(nèi)可調(diào)，如圖32所示。三角波輸出，UPP6V，頻率在1050KHZ范圍內(nèi)可調(diào)，如圖33所示。圖32方波仿真輸出圖33三角波仿真輸出正弦波輸出，UPP1V，頻率在1050KHZ范圍內(nèi)可調(diào)，如圖34所示。從上面的模擬結(jié)果可以看出，電路產(chǎn)生的方波、三角波、正弦波波形美觀，參數(shù)基本滿足預(yù)期設(shè)想，電路的設(shè)計合理，符合本次試驗的要求，可進行實際操作。4多波形信號發(fā)生器電路的安裝與調(diào)試按照上面原理圖焊接好電路之后，給電路提供工作電壓（VCC的大小控制在12V左右），選擇方波輸出端并接入示波器，觀察輸出的波形。第一次調(diào)試電路能工作，示波器上出現(xiàn)的方波以及三角波和正弦波波形都比較理想，缺點是輸出電壓沒有滿足要求。開始的時候，發(fā)覺頻率根本不滿足要求，后來發(fā)現(xiàn)時接在芯片10腳的01UF電容太大，也沒有找到更合適的電容，不過帶入理論計算還是基本符合。后來換為30PF的電容，調(diào)節(jié)控制頻率的滑動變阻器，頻率滿足要求。但是頻率滿足的情況下，犧牲了波形的美觀，回到廠家給的芯片手冊里，廠家給的一個典型應(yīng)用電路頻率也正好符合本次試驗要求。可是電路的性能的確比較差，波形不是那么完美。到此，還有輸出電壓沒有滿足要求，把輸出電壓調(diào)到15V時，輸出電壓略有提升，基本符合要求。但是電源電壓提高后，電路的功耗也就隨之升高。最后結(jié)果表明ICL8038還沒有發(fā)揮到它應(yīng)有的性能，這也和布線有極大的關(guān)系，電阻電容的選擇也有欠缺，這都是急需鍛煉和培養(yǎng)的。5結(jié)束語和展望經(jīng)過此次課程設(shè)計，我真切的明白了信號產(chǎn)生的原理和實現(xiàn)方法，也學(xué)會了一些軟件的應(yīng)用，但是在應(yīng)用的過程中，出現(xiàn)了很多的問題，雖然解決了某些問題，可是仍然還有很多的問題沒有辦法解決，很想向老師請教，但是由于時間關(guān)系，沒有辦法求教于老師，很是遺憾。在做仿真的時候，正弦波產(chǎn)生電路能夠很好的與理論值相吻合，但是方波三角波產(chǎn)生電路的仿真值和理論值就相差較大，比如說幅值和周期都不相符合，雖然想了很多，但是還是沒有辦法解決這個問題。個人認(rèn)為軟件的仿真是沒有問題的，有