基于ICL8038的-函数信号发生器设计

南华大学电气工程学院《电子技术课程设计》任务书设计题目：基于ICL8038的信号发生器专业：10级电子02班学生姓名:王超学号:20104470245起迄日期:2012年11月16日——2013年1月1日指导教师:朱卫华《电子技术课程设计》任务书1．课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1.1课程设计内容题目：基于ICL8038的信号发生器要求：（1）输出波形方波、三角波、正弦波等。（2）频率范围输出频率范围一般可分为若干波段。（3）输出电压输出电压一般指输出波形的峰—峰值。（4）波形特性正弦波：谐波失真度，一般要求小于3％。三角波：非线性失真度，一般要小于2％。方波：上升沿和下降沿时间。1.2课程设计要求综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的电子电路设计和芯片使用方法。2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3．主要参考文献：参考文献【1】康华光，电子技术基础模拟部分（第五版）[M]，高等教育出版社，2005；【2】康光华，电子技术基础数字部分（第五版）[M]，高等教育出版社，2005；【3】黄智伟．全国大学生电子设计竞赛技能训练[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2011；基于ICL8038的信号发生器设计1整体设计思想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。工作原理整体框图如图1.1所示。2详细设计2.1、ICL8038的工作原理ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：+10～+30V，双电源（+V）（V-）：±5V～±15V。图3-1是管脚排列图，以下是功能框图。8038采用DIP-14PIN封装。表2-1ISL8038管脚功能：频率选择控制三角波正弦波幅度控制直流电源方波图1-1由8038构成的函数发生器电路组成框图ICL8038管脚符号功能1&12SINADJ1，SINADJ2正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压,SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。2SINOUT正弦波输出3TRIOUT三角波输出4&5DFADJ1，DFADJ2输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。6V+正电源7FMBIAS调频工作的直流偏置电压8FMIN调频电压输入端9SQOUT方波输出10C外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比11V-负电源端或地13&14NC空脚图2-1ICL8038管脚图2.2、ICL8038内部框图介绍图2-2ICL8038的电路结构函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示（图3-2），共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为S以及S和，它们的输入电压等于电容两端的电压Uc，输出电压分别控制RS触发器的S端和端；RS触发器的状态输出端Q和用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；充点电流Is1、Is2的大小由外接电阻决定。当Is1=Is2时，输出三角波，否则为矩尺波。两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。2.3、方案电路工作原理（见图2-3）图2-3函数信号发生器当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当达到电源电压的确2/3时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2＞I1（设I2=2I1），I2将加到C上进行反充电，相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压UC又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变，使触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压UC，上升与下降时间相等（呈三角形），经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出。其中K1为输出频段选择波段开关，K2为输出信号选择开关，电位器Rp1为输出频率细调电位器，电位器Rp2调节方波占空比，电位器Rp3、Rp4调节正弦波的非线性失真。2.4、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示图2-4两个电压比较器的电压传输特性2.5、常用接法如图（3-2）所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。如图（3-5）所示为ICL8038最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器Rp滑动的位置来调整RA和RB的数值。（a）（b）图2-5ICL8038的两种基本接法当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为故RA2RB。（a）矩形波占空比为（b）矩形波占空比50%的输出波形15%的输出波形图3-6个占空比的输出波形为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如下图（图3-7）所示电路中两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，最高频率与最低频率之差可达1000:1。图2-7减小失真度的电路波形3仿真3.1、软件仿真采用Protues软件仿真，电路连接比较简单，但是在仿真的过程中出现很多问题，特别是频率问题，根据计算公式当电阻R=10K时，要使输出频率达到1Hz，则电容的值应选33uF,但是在仿真的过程中但换挡到电容为1uF的时候波形就变成了直线，后面通过改变电阻也不行，输出的频率总是达不到100Hz以下。3.2、硬件仿真软件仿真没有达到预期要求，接下来通过硬件仿真。硬件仿真其次是在面包板上直接插元器件进行仿真。硬件仿真和软件仿真的结果完全不一样，输出频率完全能到达1Hz。另外就是在第一次做失败的硬件电路的调试过程中进行了仿真。4系统测试及误差分析4.1、测试仪器双踪示波器、万用表。4.2、误差分析及改善措施正弦波失真。调节1角和12角R100K电位器，可以将正弦波的失真减小到1%。输出方波不对称，改变10K电位器来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，10K电位器、阻值为100电阻与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节电位器和换接电容可以改变信号输出频率。没有振荡。是10脚与11脚短接了，断开就可以了。产生波形失真，有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。5元器件清单序号元件参数类别备注1R3、R4、R510K电阻碳膜电阻1/4W2RV1、RV2、RV31K电位器3RV1010K电位器4DIP-14DSW2频率选择开关5ICL80388550芯片+—12V6DIP-14DSW1波形选择开关7C10.033UF电容8C2100PF电容9C31UF电容10C433UF电容11C50.33UF电容12C61000PF电容13C74720PF电容面包板6原理图及实物图原理图实物图7设计总结通过本课程的设计，使我对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。在本次课程设计中最大的收货就是学习了如何去硬件仿真一个电路，并且也了解了到了对于一个问题的理论与实践的差异，就像这次的硬件仿真和软件仿真，结果完全不一样，知道了硬件仿真的重要性与不可取代性。