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1、引 言 信号发生器是科研及工程实践中重要的仪器之一， 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、故障频率也高。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很快、很方便的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，都有很大的提高。信号发生器根据用途不同,有产生三种或多种波形的发生器,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
2、,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,器件的可选择性大幅增加,例如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。ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用
3、于压控振荡等波形发生电路。一. 课题方案设计与选择 图1.1 函数发生器电路组成框图 （一）函数信号发生器的设计方案 方案一：采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。此方案中函数发生器电路组成框图如图1.1所示。由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。方案二：利用单片集成
4、函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、电位器等外围电路灵活的组成，使通过电源来产生产生正弦波、方波、三角波等波形电路。工作原理整体框图如图1.2 所示。频率选择控制 三角波 正弦波 幅度控制直流电源 方波图1.2 由8038构成的函数发生器电路组成框图 ICL8038 （二）方案选取 经过分析比较，由于方案一函数发生器所采用电路复杂，不易理解，更不容易掌握，所以本课题采用方案二利用单片集成函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、集成定时器等灵活的组成来产生产生正弦波、方波、三角波等波形电路，具有线路简单，调试方便，功能完备，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
5、实用，而且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。特别适合用于工控和电子实验室，当输出缓冲电路独立设置多路时，可同时多路输出三种信号，比较容易满足设计需要。二. 电路的设计过程与分析（一）电路设计原理图及与应用要点 1.函数信号频率和占空比的调节由于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给，也可以由外部供给。图2.1为几种由内部供给偏置电压调节的接线图。图2.1ICL8038典型应用 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：Tt1t2f1T
6、（2-1-1)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13倍，分得的时间为： t1=CV/I=(C+1/3VccRA)/(1/5Vcc)=5/3RAC (2-1-2)在电容放电时，电压降到比较器输入电压的13时，分得的时间为： t2CVI（C13VCC）（25VCCRB15VCCRA） （35RA RBC）（2RARB） (2-1-3) f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR） (2-1-4)对图2.1最左视图中，如果RARB，就可以获得占空比为50的方波信号。其频率f3（10RAC）。2.函数发生器原理图由于ICL8038单片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非
7、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2.2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，图2.2即为产生三种波形的函数发生器的原理图。 图2.2 函数发生器原理图 （二）电路主要芯片的分析2.3 ICL8038实物图 1.ICL8038 管脚功能图及实物图 图2.3为ICL8038实物图。脚1、12 （Sine Wave Adjust）：正弦波失真度调节；脚2（Sine
8、 Wave Out）：正弦波输出；脚3（Triangle Out）：三角波输出；脚4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V）：正电源10V18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏置电压输；脚8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入；脚9（SquareWaveOut）：方波输出，为开路结构；脚10（TimingCapacitor）：外接振荡电容；脚11（V orGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。如图2.4所示。 图2.4 ICL8038管脚图 2.ICL8038的性能特点 （1）具有在发生温度变化时产生低的频
9、率漂移，最大不超过50ppm。 （2）正弦波输出具有低于1的失真度。 （3）三角波输出具有01高线性度。 （4）具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽。 （5）298之间任意可调；高的电平输出范围。 （6）从TTL电平至28V。 （7）具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。 （8）易于使用，只需要很少的外部条件。 3.ICL8038的工作原理 ICL8038 是单片集成函数信号发生器，其内部框图如图2.5所示。它由恒流源I1和 I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲期和三角波变正弦波电路等组成。 图2.5 ICL8038内部原理框图 外接电容C由两个恒流源充电和放电，振荡电
10、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23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13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
11、路中很容易获得4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。因此，对两个恒流源在I1和I2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
12、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。三. 电路设计的仿真与调试 （一）电路仿真调试 用子电路模型仿真的方法适用于器件被重复多次调用的情况，有一劳永逸之感；缺点是建模较烦琐。层次式电路仿真的方法的优点是只需画出电路图而不需创建电路模型，其缺点是次级电路不能被重复使用，若要重复调用次级电路，则必须先将重复性层次式电路转化为一般性层次式电路。实验表明，用上述两种方法不仅能较好地实现脉冲电路的仿真，也能用于其它数字电路和数模混合电路的仿真与调试，且仿真结果的误差极小，能较好地指导电路设计和实验。1.信号波形时间 所有信号波形对称都可由外部时间电阻器来
13、调整。最佳的结果通过保持时间电阻器RA和RB的独立 。RA控制三角波，正弦波的上升的部份和矩形波的1 个状态。三角信号波形的大小被设置在1/3 电源电压，因此三角的上升的部份是和三角波和正弦波下降部分和矩形波的状态。 当RA = RB时占空比为50%，如果占空比仅在50%小范围变化，连接所在图2.1左元器件是稍微比较方便的。1k的电位器不能允许占空比达到50%，在所有仪器中，如果占空比达到50%电位器是用4.7k而不是5k。方波占空比80%相位关系波形变化可以通过连接外部定时电阻时间和频率而不依赖于电源电压,尽管所有的电压都不是由内部集成电路调节。这归结于实际电流和门限是直接的，电源电压是线性
14、函数，因而他们的不起作用。2.减少失真 为了减小正弦波失真，在管脚11和12之间的82K电阻最好是可变电阻及电位器也可。这种安排使失真少于1%是可以达到的。为了减少得更多, 二台电位器可能按照上图2.1左显示的连接，这种典型构造使得正弦波失真减少近0.5%，正弦波失真达到最低的连接。3.选择RA，RB和C 对任何特定的输出频率,有广泛的RC组合工作, 然而, 为了最佳性能某些制约因素限制了充电电流大小. 在低端, 电流小于1a都是不可取的,因为在高温时电路的泄漏将产生重大误差. 高电流( I 5ma ) ,晶体管betas和饱和电压将有会使误差越来越大,因此. 最佳性能是充电电流的10a-1mA时获得的 . 如果管脚 7和8是短路的，充电电流的大小由RA确定。R1 和R2 被显示在详细的概要。电容器数值应该被选择在取值最大的可能的范围内。 在完
