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
3、用于压控振荡等波形发生电路。一. 课题方案设计与选择（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：利用单片集成函数信号发生器 ICL8038、
4、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 图 1.1 函数发生器电路组成框图（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
5、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。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。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 f1T （
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图 2.1 ICL8038 典型应用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 ICL80
7、38 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 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1.ICL8038 管脚功能图及实物图图 2.3 为 ICL8038 实物图。脚 1、12 （Sine Wav
8、e 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；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。如图 2.4 所示。2.ICL80
9、38 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。2.3 ICL8038 实物图图 2.4 ICL8038 管脚图（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
10、和 B、触发器、缓冲期和三角波变正弦波电路等组成。外 接 电 容 C 由 两 个 恒 流 源 充 电 和 放 电 ，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
11、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，图 2.5 ICL8038 内部原理框图比较器 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 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
12、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
13、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
14、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，R
15、B 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。在完成电路的初步设计后，再对电路进行仿真调试，目的是为了观察和测量电路的性能指标并调整部分元器件参数，从而达到设计指标的要求
16、。整体电路各元器件布局及电路仿真调试如图 3.1-3.4 所示。图 3.1 基于 ICL8038 简易信号发生器总电路原理图三角波正弦波 方波图 3.2 正弦波仿真图图 3.3 矩形波仿真图图 3.4 三角波仿真图（二）元件清单焊接元件清单如表 3.5 所示表 3.5 元器件清单元件 特征 数量 位置ICL8038CC 集成函数发生器DIP-141 U14.7K 碳膜电阻 1/4W 2 R2、R320K 碳膜电阻 1/4W 1 R110 K 碳膜电阻 1/4W 3 R4、R5、R61 K 绕线电位器 1 RP210 K 绕线电位器 1 RP1100 K 绕线电位器 2 RP3、RP40.1uF
17、 独石电容 2 C1、C2IC 管座 DIP-14 1 U1单芯电源线 线径 0.15 白色 30CM 12 J1简易信号发生器专用芯片实现四、电路的实物制作与调试（一） 焊接工艺掌握焊接的基本的焊接工艺，不但要有焊料的基本知识，而且要了解基本的焊接工具。常用的焊接工具除常用的内热式、外热式的电烙铁外，还有恒温电烙铁、吸锡电烙铁、微型烙铁、超声波烙铁和半自动送料焊枪等多种类型。电烙铁的规格一般是用电功率表示，常有规格有 25W、45W、75W 和 100W 等。功率越大，烙铁头的温度越高。电烙铁的选择依据表 4.1。表 4.1 电烙铁选择焊接对象及工作性质烙铁头温度（室温、220V）选用烙铁一
18、般印刷电路板、安装导线30040020W 内热式、30W 外热式、恒温式集成电路 300400 20W 内热式、恒温式焊片、电位器、2W8W 电阻、大电解电容器、大功率管35045030W50W 内热式、恒温式、50W75W 外热式8W 以上的电阻，2mm 以上的导线汇流排、金属板等400550100W 内热式、150W200W 外热式维修、调试一般电子产品 500063030W 外热式、20W 内热式、恒温式、感应式、两用式焊接集成电路、晶体管及受热易损元器件，一般选用 20W 内热式或者 25W外热式电烙铁。焊接导线时应选用 45W75W 外热式电烙铁或者 50W 内热式电烙铁。焊接较大的
19、元器件，如行输出变压器的引脚、金属底盘接地焊片等，应选用 100W 以上的电烙铁。（二）焊接技术首先，识别焊物的大小，准备好电烙铁、镊子、剪刀、斜口钳、尖嘴钳、焊剂等焊接工具。焊前要将元器件引线刮净，最好是先挂锡再焊。对被焊物表面的的氧化物、锈斑、油污、灰尘、杂质等要清理干净。使用焊剂时，必须根据被焊件的面积大小和表面状态适量施用。用量过少影响焊接质量，用量过多时，焊剂残渣将会腐蚀零件，并使线路板的绝缘性能变差。在焊接时，为使焊件达到适当温度，并使固体料焊料迅速熔化，产生润湿，就要有足够的热量和温度。如果温度过低，焊锡流动性差，很容易凝固形成虚焊。如果锡焊温度过高，将使焊锡流淌，焊点不易存锡，
20、焊剂分解速度加快，使金属表面加速氧化，并导致印刷电路板上的焊盘脱落。特别值得注意的是，当然使天然松香助焊剂时，锡焊温度过高，很容易氧化脱羧产生炭化，因此造成虚焊。锡焊的时间因被焊件的形状、大小不同而有所差别，但总的原则是以被焊件所润湿（焊料的扩散范围达到要求后）的情况而定，通常情况下，烙铁头与焊点接触时间是以使焊点光亮、圆滑为适宜。如果焊点不亮并形成粗糙面，说明温度不够，时间太短，此时需要增加焊接温度，只要将烙铁头继续放在焊点上多停留些时间便可。电路实物图如图 4.1 所示。五、电路系统测试及误差分析 （一）测试仪器 示波器 如图 5.1 所示，万用表 如图 5.2 所示。 图 4.1 电路制
21、作实物简易信号发生器（二）测试数据 波形的频率测量结果 频率/KHz 正弦波 预置 0.01 0.02 2 20 50 100 实测 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193 方波 预置 0.01 0.02 2 20 50 实测 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038 三角波 预置 0.01 0.02 1 2 20 100 实测 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191 （三）误差分析及改善措施 正弦波失真。调节 R100K 电位器 RW4，可以将正弦波的失真减小到
22、1%，若要求获得接近 0.5%失真度的正弦波时，在 6 脚和 11 脚之间接两个 100K 电位器就可以了。 输出方波不对称，改变 RW3 阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为 50%的方波，电位器 RW3 与外接电容 C 一起决定了输出波形的频率，调节 RW3 可使波形对称。 产生波形失真，可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。 六、结论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图 5.1 示波器 图 5.2 万用表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，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，比较容易满足实验需要。
