1、I西华大学课程设计说明书基于 ICL8038 的函数发生器摘 要：函数发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，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、三角波的方案也有多种。本设计是以 ICL8038 集成块为核心器件，制作的一种函数发生器。ICL8038 是一种具有多种波形输出的精密震荡集成电路，只需要少量的外部元件就能产生方波、正弦波和三角波。其输出波形的频率和占空比可以由电流或电阻控制。关键词：ICL8038，方波，三角波，正弦波。Abstract：Function generator according to different purpose
2、s, a function generator to produce three or more kinds of waveforms, devices used in circuit can be a separation device, and can also be integrated device, generates a square wave, sine wave, triangle wave scheme also has a variety of. The design is based on ICL8038 chip as the core device, a functi
3、on generator produced. ICL8038 is a precision oscillation integrated circuit with a variety of waveform output, only external components can be produced small amounts of square wave, sine wave and triangular wave. The frequency of the output waveform and the duty ratio can control by current or resi
4、stance.Keywords：ICL8038,Square wave,Triangular wave,Sine wave.II西华大学课程设计说明书目 录1 前言.12 总体方案.22.1 方案比较 .22.1.1 方案一 22.1.2 方案二 22.2 方案选择 .33 单元模块设计.43.1 ICL8038 43.1.1 ICL8038 管脚功能 43.1.2 ICL8038 的性能特点.53.1.3 ICL8038 内部结构.53.2 控制电路 .64 系统调试.85 系统功能、指标参数.96 设计总结107 谢辞118 参考文献129 附录13第 1 页西华大学课程设计说明书1 前言
5、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,三角波
6、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，可被应用于
7、压控振荡等波形。第 2 页西华大学课程设计说明书2 总体方案通过查阅大量相关技术资料，并结合自己的实际知识，我主要提出了两种技术方案来实现系统功能。下面我将首先对这两种方案的组成框图和实现原理分别进行说明，并分析比较它们的特点，然后阐述我最终选择方案的原因。2.1 方案比较2.1.1 方案一方案一的结构框图如下图 2.1 所示。比较器 积分器 差分放大器图 2.1 函数发生器电路组成框图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。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
8、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。2.1.2 方案二方案二的结构框图如下图 2.2 所示。I C L8 0 3 8控制电路方波三角波正弦波直流电源图 2.2 由 8038 构成的函数发生器电路组成框图第 3 页西华大学课程设计说明书方案二中，利用单片集成函数信号发生器 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。2.2 方案选择经过分析比较，由于方案一函数发生器所
9、采用电路复杂，不易理解，更不容易掌握，所以本设计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。第 4 页西华大学课程设计说明书3 单元模块设计本节主要介绍系统各单元模块的具体功能、电路结构、工作原理、以及各个单元模块之间的联接关系；同时本节也会对相关电路中的参数计算、
10、元器件选择、以及核心器件进行必要说明。3.1 ICL80383.1.1 ICL8038 管脚功能图 3.1 ICL8038 管脚功能图脚 1、12 （Sine Wave Adjust）：正弦波失真度调节；脚 2（Sine 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（FM Bias）：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（Square Wave Out）方波输出，为开路结构
11、；脚 10（Timing Capacitor）：外接振荡电容；脚 11（V or GND）：负电原或地；脚 13、14（NC）：空脚。第 5 页西华大学课程设计说明书3.1.2 ICL8038 的性能特点 （1）具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，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。3.1.3 ICL8
12、038 内部结构ICL8038 是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图 3.2。在图 3.2 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
13、，控制开关 S 使电流源 I2 接通。由于 I2I1，因此电容 C 放电，vc 随时间线性下降。当vc 下降到 vcVR/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。因此，ICL8038 能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形。第 6 页西华大学课程设计说明书图 3.2 内部原理电路框图3.2 控制电路ICL8
14、038 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。用以下由内部供给偏置电压调节的接线图对芯片进行测试，观察其特性，图 3.3 为基本接法。图 3.3 ICL8038 的一种接法在以上应用中，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。Tt1t2 (3.1)第 7 页西华大学课程设计说明书f1T (3.2)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=(C1/3VccR A
15、)/(1/5Vcc)=5RAC /3 (3.3)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t 2CVI（C13V CC）（25V CC /RB15V CCR A）（35R ARBC）（2R AR B） (3.4)f1（t 1t 2）35R AC1R B（2R AR B） (3.5)对图中，如果 RARB，就可以获得占空比为 50的方波信号。其频率f3（10R AC） (3.6)第 8 页西华大学课程设计说明书4 系统调试函数发生器的电路是在 Proteus 中画出原理电路图并进行的仿真实验。因为设计要求是产生方波、三角波、正弦波，所以 ICL8038 的 4 管脚 5 管脚
16、的外接电阻一定要相等才能产生占空比为 50%的矩形波即方波，才可以产生三角波。如果占空比不为 50%，产生的波形就为锯齿波。通过计算将 4 脚 5 脚的外接电阻都设为 4.7KHz，电容设为6380pF63800pF 之间的可变电容器，外接电源为正负 6V 的直流电源，7 脚 8 脚短接。调节可变电容器的容值就可以产生频率范围为 1KHz-10kHz 的方波、三角波和正弦波。第 9 页西华大学课程设计说明书5 系统功能、指标参数由 ICL8038 为核心所组成的函数发生器的主要功能为输出方波、三角波和正弦波等波 形 。 振荡频率范围宽，频率稳定性好。本设计的频率范围是 1KHz-10kHz，输
17、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%。 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。本设计的函数发生器所产生的波形的峰峰值可以由直流电源来直接控制，比较简单，只需要将直流电源设置为正负 6V，即可在误差允许范围内得到 Vp-p=12V 的方波、Vp-p=4V 的三角波以及 Vp-p1V 的正弦波。第 10 页西华大学课程设计说明书6 设计总结通过近两周的函数发生器的设计，知道了课程设计的一般步骤:首先要对所选课题做认真的分析，明确了解任务和功能指标，然后作总体原理框图的设计。在设计的过程中，
18、要根据具体情况，反复对设计方案进行论证与比较，以求得到最佳方案。在整体方案确定后，合理选择和独立设计单元模块电路选择元器件，画电路图，进行仿真和功能测试，撰写实验报告。在本次课题设计中使用了 ICL8038 单片函数波形发生器，使我对 ICL8038 的工作原理有了更多的理解，较深入的学习了 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，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
19、出缓冲电路独立设置多路时，可同时多路输出三种信号，比较容易满足实验需要。虽然这次课程设计只有短短的两周时间，我想对于我今后的学习和工作都有着非常深远的意义。因为它让我明白经过实践掌握的知识才是最牢固的，在以后的学习中要注重实践的重要性。第 11 页西华大学课程设计说明书7 谢辞通过此次的课程设计，我学到了很多知识，培养了自学能力和动手能力。并且由原先的被动的接受知识转换为主动的寻求知识，这可以说是学习方法上的一个很大的突破。在以往的传统的学习模式下，我们可能会记住很多的书本知识，但是通过这次实习，我们学会了如何将学到的知识转化为自己的东西，学会了怎么更好的处理知识和实践相结合的问题。 在此过程
20、中也学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先做学问要一丝不苟，对于发展过程中出现的任何问题和偏差都不要轻视，要通过正确的途径去解决，在做事情的过程中要有耐心和毅力，不要一遇到困难就达退堂鼓，只要坚持下去就可以找到思路去解决问题的。而且要学会与人合作，这样做起事情来就可以事倍功半。 从我们开始这个课程设计，到这个课程设计的结束，老师一直陪伴我们，给我们细心的指导，给我们讲解各种注意事项和各个部分应该注意的问题，有了 XX 老师的指导，我们才能顺利的完成这次课程设计，所以，我对 XX 老师表示深深的谢意，感谢她陪伴我们的这两周，让我们在这短短的两周中，学到了许许多多的知识。另外，我要感谢我们小组的
21、成员们，因为有大家的共同努力，相互帮助，一起探讨，才有今天的成就。在这次课程设计中，每个人都扮演着必不可少的角色，大家分工合作、虽然在刚刚开始的时候大家都有些不知从何开始，但是，通过大量的查阅资料和大家一起讨论，终于克服重重困难，完成了我们的课题。所以，现在的成绩是大家共同努力的结果。第 12 页西华大学课程设计说明书8 参考文献1 康华光主编 电子技术基础模拟部分 （第五版) 高等教育出版社 2006 年2 康华光主编 电子技术基础数字部分 （第五版) 高等教育出版社 2006 年3 陈明义主编 电子技术课程设计实用教程 （第三版） 中南大学出版社 2010 年4 罗杰 谢资美主编 电子线路
22、设计实验测试 （第四版） 电子工业出版社 2008 年5 朱定华 陈 林 吴建新主编 电子电路测试与实验 清华大学出版社 2004 年6 王建新 姜萍主编 电子线路实践教程 科学出版社 2003 年7 陈大钦 电子技术基础实验(第二版) 北京 高等教育出版社 2000 年8 葛汝明主编 电子技术实验与课程设计 山东大学出版社 2004 年9 高平 电子线路设计基础 北京 化学工业出版社 2007 年10 张文涛主编 PROTEUS 仿真软件应用 武汉 华中科技大学出版社 2010 年第 13 页西华大学课程设计说明书9 附录附录 1 基于 ICL8038 的函数发生器仿真电路图附录 2 仿真波形
