函数发生器原创论文

四川托普信息技术职业学院毕业设计论文题目函数发生器学生姓名丁磊学生学号2007050204专业方向计算机通信指导教师方敏指导单业四川托普信息技术职业学院通信系2009年11月9日四川托普信息技术职业学院1摘要函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的多波形的信号源。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0001HZ30KHZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。在本次的论文中首先介绍了函数信号发生器的原理与应用，再次介绍了部分原件的简介以及应用，以及PROTEL99SE使用，PCB板的制作、设计电路板的制作、设计电路的调试、元件的介绍、电路图的简介以及我的个人设计心得体会与电路图、PCB板和元件清单。通过专业知识的学习、掌握、并运用到实际电路中去，了解电子技术不是那么的神奇。我们可以通过理论的学习使专业能力一步一步提高；通过实践运用增加实际动手能力。今后只要加强理论与实践的结合，不断提高技术水平，才能成为高科技术型人才。关键词ICL8038波形原理图常用接法四川托普信息技术职业学院2目录摘要1目录2引言3第一章函数信号发生器411函数信号发生器的概述412函数信号发生器的分类4第二章方案论证与比较621系统功能分析6第三章8038及部分元件工作原理与分析7318038电路结构7328038工作原理8338038引脚图934阻、电容及其特性10第四章函数信号发生器原理图和设计电路图1041原理图简介1042整体电路分析10第五章PROTEL99SE制作PCB1151PROTEL99SE设计流程1152电路图的制作1153印刷电路板的制作12第六章系统测试1461所需仪器1462仪器的使用1463测试数据15第七章结论16参考文献17致谢18附录一原理图19附录二印制电路板20附录三材料清单22四川托普信息技术职业学院3引言函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。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，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地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，都有了很大的提高。在电子技术实验领域，经常需要使用多种不同波形的信号，如正弦波、三角波、方波等等。产生这种多波形的信号发生器也叫函数发生器。本系统采用单片函数信号发生器专用集成电路ICL8038组成的简单函数信号发生器。这个电路可同时产生正弦波、三角波、和方波。最大优点是制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。可在10HZ100HZ频率范围内连续变化。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，属于VCO压控振荡器，也可用于频率调制。其集成块外围元件数量需要较少，就能产生从1HZ300KHZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由外部元件控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。ICL8038的外围阻容网络由RP1、C1C4组成，它们决定了电路的振荡频率；4个不同档位的电容决定频率的倍率，而RP1则完成频率的范围的细调，以获得所需的输出频率。为确保输出波形的对称度，电阻R2、R3、R4、要求10的精度。四川托普信息技术职业学院4第一章函数信号发生器11函数信号发生器的概述函数信号发生器（SIGNALGENERATOR）又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。12函数信号发生器的分类按其信号波形分为四大类1正弦信号发生器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。2函数（波形）信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。3脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。四川托普信息技术职业学院54随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。四川托普信息技术职业学院6第二章方案论证与比较21系统功能分析本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案方案一采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。方案二采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率相信都很难控制。方案三采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0001HZ300KHZ。综上所述，基于设计成本低、可行性、可靠性及性能、控制的难易等方面的综合考虑，在本设计中选择方案三四川托普信息技术职业学院7第三章8038及部分元件工作原理与分析318038电路结构函数发生器ICL8038的内部电路结构如图31所示，共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1I，IS22I；两个电压比较器和的阈值电压分别为和，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；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。图31ICL8038函数发生器原理框图1RS触发器（见图31所示）是数字电路中具有存储功能的一种基本单元电路。Q和是一对互补的状态输出端，当Q1时，；当Q0时，。S和是两个输入端，当时，Q0时，；反之，当时，Q1时，；当S0，时，Q和保持原状态不变。四川托普信息技术职业学院8图32两与非门组成的基本RS触发器及其真值表2电压比较器（见图32用于比较两个电压的大小当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平；当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平。图33电压比较器两个电压比较器的电压传输特性如图33图34ICL8038中电压比较器的电压传输特性328038工作原理1当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器和的输出电压均为低电平；因而RS触发器的，输出Q0，；2使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为IS1I四川托普信息技术职业学院9因充电电流是恒流，所以，电容上电压UC随时间的增长而线性上升。当上升为VCC/3时，电压比较器输出为高电平，此时RS触发器的，S0时，Q和保持原状态不变。3一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的时，Q1时，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2IS1I因放电电流是恒流，所以，电容上电压UC随时间的增长而线性下降。起初，UC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但，其输出不变。4一直到UC下降到VCC/3时，使电压比较器的输出电压跃变为低电平，此时，Q0，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q和为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。结论改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。338038引脚图如图35ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压图35ICL8038的引脚图输入端，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。四川托普信息技术职业学院1034阻、电容及其特性电阻导体对电流的阻碍作用。主要职能就是阻碍电流流过,应用于限流、分流、降压、分压、负载与电容配合作滤波器及阻匹配等。电容很多电子产品中，电容器都是必不可少的电子元器件，它在电子设备中充当整流器的平滑滤波、电源和退耦、交流信号的旁路、交直流电路的交流耦合等。第四章函数信号发生器原理图和设计电路图41原理图简介函数信号发生器的电路图电路非常简洁，没有多余的器件。图41ICL8038内部原理图42整体电路分析本设计采用了9V电池供电。当电源开关S1闭合时电源开始向电容充电，当电容的电压达到一定伏值后。ICL8038内的RS触发器将控制芯片内的开关，使开关闭合，电容开始放电。当电容电压放到一定值时，开关断开，又开始向电容充电。如此周而复始产生振荡信号。电路外接4个不同档位的电容对电路进行粗调。而4个可变电位器分别对电路进行调节。1作为频率微调节，R2通过调整电源I1、I2来改变方波及三角波形状，R3、R4调整正弦波波形（调滤波器参数值）。产生的信号通过ICL8038的3脚、9脚、2脚与三个接线器相连。从四川托普信息技术职业学院11而分别输出三角波、方波、正弦波。第五章PROTEL99SE制作PCB51PROTEL99SE设计流程PROTEL99SE是澳大利亚PROTELTECHNOLOGY公司推出的一个全32位的电路板设计软件。设计流程如下设计思想原理图网表PCB布局/布线制板检查/电装52电路图的制作电路图是整个电路的基础，它决定了后面的工作是否能够正常进行，设计一个电路原理图包括设计电路图纸大小，规划电路的总体布局，在图纸上放置元件，进行布局、布线，然后在对元件以及整个部件进行调整，最后在打印输出。电路图的一般流程如下1）设置画图环境2）装载元件库3）放置元件并布局4）布线5）添加网络标签6）放置电源与地线7）编辑元件属性8）电气规则检查（ERC）9）生成元件列表（BOM文件）仿真SIMULATION测试四川托普信息技术职业学院1210）生成网络表11）存盘极打印输出。在绘制原理图的时候要注意一些比较特殊的元件，比如本设计中的开关、电源等，是在库中找不到封装的，需要个人去测量，再进行绘制。53印刷电路板的制作电路板的一般流程如下1绘制电路图。这是电路板设计的先期工作，主要是完成电路原理图的绘制，包括生成网络表。当然，有些时候也可以不进行原理图的绘制，而直接进行PCB设计系统。2规划电路板，在绘制印制电路板前，要先对电路板有个初步的规划，例如电路板采用多大的物理尺寸、采用几层电路板（本设计采用单面板）、各元件采用何种封装形式以及其安装的位置等。3设置参数。主要设置元件的布置参数、层参数、布线参数等。一般说来这些参数都采用默认值，有些特殊的参数需要个人设计。4装入网络表以及原件封装。一般的封装都可以在系统中找到，有些特殊的封装需要自己绘制（精确地测量元件各个引脚的大小、距离，以此为参数绘制封装）。5元件布局。一般都是按照电路图来布局的，一些特殊的电路就要按照设计的要求来，比如高频电路就要求尽可能的把原件之间的连线缩短，以保证其工作时不失真。6自动布线。只要你的元件布局合理，成功率一般都是100。7手工调整。调整一些自动布线后不满意的地方，比如直角、锐角、线与线的距离太进或与远见距离太近。8文件输出及打印。对于手工自制印刷电路板，按板面的实际设计尺寸剪裁敷铜板可用钢锯沿边线锯开，将敷铜板表面处理后，直接在铜箔面涂保护层。表面处理可用水砂纸去氧化层和油污。然后将打印好PCB转印纸铺在敷铜板上通过热压机将PCB印在敷铜板上，然后在板子放入配好的三氯化铁溶液中，浓度在2842之间，不断摇晃，加速反应。待把能看见的铜都腐蚀完了之后把扳子从三氯化铁溶液中取出来用清水洗净，用砂纸将没有被腐蚀的铜表面沙干净。然后再把已经配好的松香酒精溶液立即涂在洗净晾干的印制电路板上，使它分布均匀且很薄，再加热烘干到不粘手为止。最后在钻孔，完成制板的最后工作。在整个电路板的制作中一定要小心，电路板锯切时要用脚踩住，以免它跑位，四川托普信息技术职业学院13把电路板锯歪，影响整体美观；热转印时很容易出现断线，等它转印好以后再次将它转印一次，等电路板冷却以后再将热转印纸扯掉；腐蚀的时候切忌用硬物（例如玻璃棒、木棒、铁片等）在三氯化铁中搅，会把电路板上的印刷线弄掉而出现断线，最好是双手拿住器皿轻轻的摇匀；打孔时切忌粗心大意，应将转头的速度调慢点，才不易出现问题。总之整个过程都需要个人的细心和耐心。四川托普信息技术职业学院14第六章系统测试61所需仪器数字万用表检查电路通断短路及元器件好坏双踪示波器YB432520MHZ查看波形62仪器的使用1数字万用表的使用方法1）使用前，应认真阅读有关的使用说明书，熟悉电源开关、量程开关、插孔、特殊插口的作用2）将电源开关置于ON位置。3）交直流电压的测量根据需要将量程开关拨至DCV（直流）或ACV（交流）的合适量程，红表笔插入V孔，黑表笔插入COM孔，并将表笔与被测线路并联，读数即显示。4）交直流电流的测量将量程开关拨至DCA（直流）或ACA（交流）的合适量程，红表笔插入MA孔（200MA时）或10A孔（200MA时）,黑表笔插入COM孔，并将万用表串联在被测电路中即可。测量直流量时，数字万用表能自动显示极性。5）电阻的测量将量程开关拨至的合适量程，红表笔插入V孔，黑表笔插入COM孔。如果被测电阻值超出所选择量程的最大值，万用表将显示“1”，这时应选择更高的量程。测量电阻时，红表笔为正极，黑表笔为负极，这与指针式万用表正好相反。因此，测量晶体管、电解电容器等有极性的元器件时，必须注意表笔的极性。2示波器的使用示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化，即波形。辉度控制用来调切波形显示的亮度。聚焦控制机构用来控制屏幕上光点的大小，以便获得清晰的波形轨迹。扫描旋转这个控制机构使X轴扫描线和水平标尺线对齐标尺照明标尺亮度可以单独控制。这对于屏幕摄影或在弱光线条件下工作时四川托普信息技术职业学院15非常有用。调制扫描的辉度可以用电气的方法通过一个外加的信号来改变。这对于由外部信号来产生水平偏转以及使用XY显示方式来寻找频率关系的应用中是十分有用的。63测试数据基本波形的频率测量结果（单位频率/KHZ）预置00100222050100正弦波实测0009500196200032000385000010096方波实测00095001971000220004200038100193三角波实测000950019610002200042000381000191）正弦波2）三角波3）方波图63为示波器上输出的三种波形该函数信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形。能达到题目要求的基本功能。四川托普信息技术职业学院16第七章结论通过本篇论文的设计，使我们对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，