毕业设计（论文）-函数信号发生器设计.doc

函数信号发生器毕业设计论文摘 要本系统以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0.001Hz30KHz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。 函数信号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，开发新款式函数信号发生器，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。所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。关键词： ICL8038，波形，原理图，常用接法目 录摘要1目录 2第一章 项目任务 31.1 项目建 3 1.2 项目可行性研究3第二章 方案选择4 2.1 方案一 4 2.2 方案二 4第三章 基本原理 53.1函数发生器的组成 63.2 方波发生器 63.3 三角波发生器 73.4 正弦波发生器 9第四章 稳压电源 104.1 直流稳压电源设计思路 10 4.2 直流稳压电源原理 114.3设计方法简介 12第五章 振荡电路 15 5.1 RC振荡器的设计 15第六章 功率放大器 176.1 OTL 功率放大器 17第七章 系统工作原理与分析197.1 ICL8038芯片简介 197.2 ICL8038的应用 197.3 ICL8038原理简介 197.4 电路分析 207.5工作原理 207.6 正弦函数信号的失真度调节 237.7 ICL8038的典型应用 24致谢25心得体会26参考文献27附录128附录229附录330第一章 项目任务1.1 项目建议函数信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转线圈上加随时间线性变化的电压锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波 正弦波 三角波以及锯齿波阶梯波等电压波形的电路或仪器。因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的函数信号发生器。1.2 项目可行性研究函数信号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，开发新款式函数信号发生器，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。所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。第二章 方案选择2.1 方案一由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有1000倍的频率覆盖系数，显然对于1000倍的频率变化会有积分时间dt的1000倍变化从而导致输出电压振幅的1000倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。2.2 方案二 利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压uc的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。该方案的特点是十分明显的： 线性良好、稳定性好； 频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变； 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形； 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。 综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。第三章 基本原理3.1 函数发生器的组成函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，从而达到在合成电路时使电路更加合理。 3.2 方波发生器：如图3-2-1用运算放大器滞回比较器和、C积分电路组成的，输出电压经、C反馈到运放的反相输出端，因此积分电路起延迟和负反馈作用。图3-2-1参看图3-2-1所示电路，设在接通电源的时刻，电容器两端电压，输出电压，则加到运放同相输出端的电压为。式中，。此时通过向C充电，使运放反相输入电压由零逐渐上升。在以前，保持不变。在时刻，上升到略高于，由高电平跳到低电平，即变为。时，同时通过向C充电，使运放反相输入端电压由零逐渐上升。在以前，保持不变。在时刻，下降到略低于，由低电平跳到高电平，即变为，又回到原始状态。如此周而复始，循环不已，因此产生振荡，输出方波。 根据上边的分析，可以画出与的波形如下图所示：图3-2-2由波形可知，从时刻的下降到时刻的，再上升到时刻的，所需的时间就是一个振荡周期在到这段时间，的变化规律是简单RC电路充放电规律，其常数为，初始值为（时刻），终了值为（t），故在时， ，代入上式后可求得同样可求得 由于高低电平所占的时间相等，故是方波。其振荡周期为若选取适当的、值，使，则，于是振荡频率为： 3.3 三角波发生器：根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当RC积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和RC积分电路就可以组成三角波信号发生器。三角波信号发生器的电路组成如图3-2-3所示。图中的运算放大器组成方波信号发生器，组成RC积分电路。该电路的工作原理是：方波信号发生器输出的方波。图中等还可构成同相滞回比较器，和、C等组成反相积分电路。信号输入积分电路，在积分电路的输出端得到三角波信号。积分电路的输出端除了输出三角波信号外，并通过电阻R1将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端，将三角波信号整形变换成方波信号输出。该电路的工作波形图如图3-3-3所示。图3-3-3根据上图可以看出在t=0时，比较器输出电压为高电平，电容两端的电压为零，即略低于，则积分电路输出电压。此时电容被充电，显然于是线性下降，也下降，直到时，略低于，即略低于零时，从突跳到，同时也跳变到更低的值（比零低的多）。可见，在前的一瞬间，而从流过和的电流相等，则，故后，由于，故电容放电，其两端电压因 故 于是线性上升，也上升。直到时，略大于零，从突跳到。可见，在前的一瞬间，则，故 在以后电路周而复始，循环不以，形成振荡。则根据分析可以画出和的波形，如图3-3-4所示。图3-3-4其中为方波，为三角波。之所以为三角波，是由于电容充放电的时间常数相等，积分电路输出电压上升和下降的幅度和时间相等，上升和下降的斜率的绝对值也相等。显然，三角波峰值为：下面求振荡周期。由于，而当时，有则 故 则可以在调整三角波电路时，应先调整或,使其峰值达到所需要的值，然后再调整或C，使频率能满足要求。3.4 正弦波发生器：又称文氏电桥振荡器，如图1-3-1所示，其中A放大器由同相运放电路组成，图3-4-2，因此， 图3-4-1图3-4-2F网络由RC串并联网络组成，由于运放的输入阻抗Ri很大，输出阻抗Ro很小，其对F网络的影响可以忽略不计，从图3-4-3有由自激振荡条件：T=AF=1有 所以上式分母中的虚部必须为零，即 上式的实部为1，即 对图3-4-2同相运放， 须满足以上分析表明： 文氏电桥振荡器的振荡频率，由具有选频特性的RC串联网络决定。 图中文氏电桥振荡器的起振条件为，即要求放大器的电压增益大于等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予补偿。但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。图3-4-3第四章 稳压电源4.1 直流稳压电源设计思路（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载RL。4.2 直流稳压电源原理直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图4-1 图4-1 直流稳压电源方框图其中：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。电路的输出波形如图4所示。图4-2整流电路图4-3 输出波形图在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即 。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(U2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.11.2)U2，直流输出电流： （I2是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路见图4-4图4-4 稳压电路原理图4.3设计方法简介4.3.1根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见的主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V37V，最大输出电流为1.5A。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和LM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4-5和图4-6。 图4-5 管脚 图4-6典型电路输出电压表达式为:式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值，一般使用精密电位器，与其并联的电容器C可进一步减小输出电压的纹波。图中加入了二极管D，用于防止输出端短路时10F大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。LM317其特性参数：输出电压可调范围：1.2V37V输出负载电流：1.5A输入与输出工作压差U=Ui-Uo：340V能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。4.3.2 选择电源变压器1）确定副边电压U2:根据性能指标要求：Uomin=3V Uomax=9V又 Ui-Uomax(Ui-Uo)min Ui-Uoin(Ui-Uo)max其中：（Ui-Uoin）min=3V，(Ui-Uo)max=40V 12VUi43V此范围中可任选 ：Ui=14V=Uo1根据 Uo1=(1.11.2)U2可得变压的副边电压：2）确定变压器副边电流I2 Io1=Io又副边电流I2=(1.52)IO1 取IO=IOmax=800mA则I2=1.50.8A=1.2A3）选择变压器的功率变压器的输出功率：PoI2U2=14.4W4.3.3 选择整流电路中的二极管 变压器的副边电压U2=12V 桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：查手册选整流二极管IN4001，其参数为：反向击穿电压UBR=50V17V最大整流电流IF=1A0.4A4.4.4 滤波电路中滤波电容的选择滤波电容的大小可用式 求得。1）求Ui:根据稳压电路的的稳压系数的定义：设计要求Uo15mV ，SV0.003 Uo=+3V+9VUi=14V代入上式，则可求得Ui2）滤波电容C设定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S则可求得C。电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17V。第五章 振荡电路 5.1 RC振荡器的设计RC振荡器的设计，就是根据所给出的指标要求，选择电路的结构形式，计算和确定电路中各元件的参数，使它们在所要求的频率范围内满足振荡的条件，使电路产生满足指标要求的正弦波形。RC振荡器的设计，可按以下几个步骤进行：1 根据已知的指标，选择电 路形式。 2 计算和确定电路中的元件 参数。 3 选择运算放大器 4 调试电路，使该电路满足 指标要求。 设计举例：设计一个振荡频率为800Hz的RC（文氏电桥）正弦波振荡器。 图5-1 RC 正弦波振荡器设计步骤如下： 根据设计要求，选择图5-1所示电路。1 计算和确定电路中的元件参数。 （1）根据振荡器的频率，计算RC乘积的值。 （2）确定R、C的值 为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响。按： Ri R R0 的关系选择R的值。其中：Ri（几百k以上）为运算放大器同相端的输入电阻。R0（几百以下）为运算放大器的输出电阻。因此，初选R=20k，则： （3）确定R3和Rf(在图1中Rf=R4+Rw+rd/R5)的值。由振荡的振幅条件可知，要使电路起振，Rf应略大于2R3，通常取Rf=2.1R3。以保证电路能起振和减小波形失真。 另外，为了满足R=R3/Rf的直流平衡条件，减小运放输入失调电流的影响。由Rf=2.1R3和R=R3/Rf可求出： R3=R = 取标称值: R3=30k W 所以:Rf=2.1R3=2.1W=63kW. 为了达到最好效果, Rf与R3的值还需通过实验调整后确定。 （4）确定稳幅电路及其元件值。 稳幅电路由R5和两个接法相反的二极管D1、D2并联而成，如图1所示。 稳幅二极管D1、D2应选用温度稳定性较高的硅管。而且二极管D1、D2的特性必须一致，以保证输出波形的正负半周对称。 （5）R5与R2的确定 由于二极管的非线性会引起波形失真，因此，为了减小非线性失真，可在二极管的两端并上一个阻值与rd（rd为二极管导通时的动态电阻）相近的电阻R5。（R5一般取几千欧，在本例中取R5=2kW。）然后再经过实验调整，以达到最好效果。R5确定后，可按下式求出R2。R2=Rf -（R5/rd） Rf - R5 2 = 63kW - 1kW = 62kW 为了达到最佳效果, R2可用30kW电阻和50 kW的电位器串联（即R2=R4+Rw）。 （6）选择运放的型号 选择的运放，要求输入电阻高、输出电阻小，而且增益带宽积要满足： Auo BW 3fo 的条件。由于本例中的fo=800Hz，故选用A741集成运算放大器。 第六章 功率放大器电子电路一般都由多级放大器组成。多级放大器在工作过程中，一般先由小信号放大电路对输入信号进行电压放大，再由功率放大电路进行功率放大，以控制或驱动负载电路工作。这种以功率放大为目的的电路，就是功率放大电路。能使低频信号功率放大的放大器，即为低频功率放大器，简称功率放大器。6.1 OTL 功率放大器图6-1-1所示为OTL 低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具图6-1-1 OTL 功率放大器实验电路有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。IC1 的一部分流经电位器RW2及二极管D， 给T2、T3提供偏压。调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。当输入正弦交流信号ui时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C0充电，在ui的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。C2和R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。OTL 电路的主要性能指标1、 最大不失真输出功率P0m理想情况下，在实验中可通过测量RL 两端的电压有效值，来得实际的图6-1-2所示为OTL 低频功率放大器。其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具图6-1-2 OTL 功率放大器实验电路有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。IC1 的一部分流经电位器RW2及二极管D， 给T2、T3提供偏压。调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。静态时要求输出端中点A的电位，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。当输入正弦交流信号ui时，经T1放大、倒相后同时作用于T2、T3的基极，ui的负半周使T2管导通（T3管截止），有电流通过负载RL，同时向电容C0充电，在ui的正半周，T3导通（T2截止），则已充好电的电容器C0起着电源的作用，通过负载RL放电，这样在RL上就得到完整的正弦波。C2和R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。OTL 电路的主要性能指标2、 最大不失真输出功率P0m理想情况下，在实验中可通过测量RL 两端的电压有效值，来得实际的第七章 系统工作原理与分析7.1 ICL8038 芯片简介 性能特点具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。7.2 ICL8038的应用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。（1）ICL8038电源电压范围宽，采用单电源供电时，V+-GND的电压范围+10-+30V；采用双电源供电时，V+-V-的电压可在5-15V内选取。电源电流约15mA。（2）振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是0.001Hz-300kHz，频率温漂仅50ppm/(1ppm=10-6)。（3）输出波形的失真小。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%。（4）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。（5）外围电路非常简单，易于制作。通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率，产生高质量的中、低频正弦波，矩形波（或方波，窄脉冲）,三角波（或锯齿波）等函数波形，其应用领域比普通单一波形的信号发生器更为广阔。此外8038还能实现FM调制，扫描输出7.3 ICL8038原理简介ICL8038采用DIP14封装，管脚如下图所示。芯片内部包括两个恒流源,两个电压比较器，两个缓冲器，正弦波变换器，模拟开关，RS触发器。在构成函数波形发生器时，应将第7,8两脚短接。其工作原理如下：利用恒流源对外接电容进行充放电，产生三角波(或锯齿波)，经缓冲器I从第3脚输出，由触发器获得的方波（或锯形波），经缓冲器从第九脚输出。再利用正弦波变换器将三角波变换成正弦波，从第2脚输出。改变电容器的充放电时间，可实现三角波与锯齿波方波与矩形波的互相转换。图7-3 ICL80387.4 电路分析：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。在初始阶段我们用以下几种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7-4-1为基本接法，图7-4-2和图7-4-3图可调节占空比。 图7-4-1 图7-4-2 图7-4-3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+1/3VccR A)/(1/5Vcc)=5/3RAC 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(C1/3VCC)/(2/5VCCRB1/5VCC/RA)(3/5RARBC)/(2RARB)f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR）对图6-1-1中，如果RARB，就可以获得占空比为50的方波信号。其频率f3（10RAC）。针对以上电路失真无法调节的缺点，我们改进方案，实现正弦波正负失真的可调。见图7-1-4，由于该芯片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。下图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，在安装调试中，我们选用两只100K的多圈精密电位器，反复调节，达到了很好效果的方波占空比调节、正弦波和三角波的对称调节。图7-1-4：失真和占空比可调图7-1-5：失真、占空比、频率可调图7-1-4电路无法调节频率，我们采用外部供给频率调节电压的方式实现频率的可调,通过10k电位器，我们可以控制8端电压的调节范围2/3 Vcc到Vcc。7.4.1 ICL8038内部原理ICL8038是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图7-2。在图7-2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，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图7-2 内部原理电路框图 其中，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。在以上基本电路中很容易获得3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I和2I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。ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当满意。7.5工作原理 当给函数发生器ICL8038接通电源时，电容C的电压为0 V，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Q为低电平，Q为高电平；使电子开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流时间的增长而线性上升。Uc的上升使RS触发器的R端从低电平跃变为高电平，但其输出不变，一直到Uc上升到13 VCC时，电压比较器的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（Q同时变为低电平），导致电子开关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触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直到Uc下降到13 VEE，使电压比较器的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（Q同时为高电平），使得电子开关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，因而电容上电压为对称三角波形,Q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。通过以上分析可知，改变电容充电放电电流即改变RA，RB的数值，或改变电容C的数值，就改变了充放电时间，因此可改变其频率。 ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，也可双电源供电，他们的值为515 V，我们取15 V，频率的可调范围为0.1250 kHz，输出矩形波的占空比可调范围为590。 7.6 正弦函数信号的失真度调节由于ICL8038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7-6-1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7-6-1正弦波失真度调节电路 7.7 ICL8038的典型应用IC8038的典型应用电路见图7-7-1。图中，R1、R2为定时电阻，均为可调式，阻值范围为1k1M。调节能改变振荡频率以及矩形波的占空比。为定时电容，也影响振荡频率。R3用来调整正弦波的失真。由于第9脚为集电极开路输出，必须外接集电极负载电阻R4。特别，当R1=R2=R时，I2=2I，即t1=t2，D=50%，此时输出为对称的方波、三角波和正弦波。式子化简成: fo=0.3/RC 如果在把第4、5两脚短接，经过一只公用的定时电阻R接V+，振荡频率的计算公式 : fo =0.15/R图7-7-1注意事项: （1）用单电源供电时，三角波和正弦波的平均值等于V+ /2，而方波幅度为 V+。用双电源供电时，所有输出波形相对于地（GND）电平均是正负相称的。 （2）方波输出的电压幅度不受V+的限制，也可以把负载电阻R4改接其它电源电压E+上，但E+不得超过+30V。 （3）为减小正弦波的失真，可将图3中的R3（82k）换成100k可调电阻。还可以采用图5所示电路，该电路适合对振荡器作小范围调整（R是调节电阻），并使正弦波的失真度减小到0.5%以下，R4、R7为失真度调节电阻。 致 谢本课题在选题及研究过程是在周永金老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。老师们多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师他们严谨细致、一丝不苟的工作作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对老师的感激之情是无法用言语表达的。 感谢带过我的老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，从课题的选择到项目的最终完成，老师们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬并致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我还要感谢在一起愉快的度过3年生活的各位同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们!心得体会通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问在设计过程中，经常会遇到这样那样的情况，就是心里想老着这样的接法可以行得通，但实际接上电路，总是实现不了，因此耗费在这上面的时间用去很多。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。题的能力。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。比如一些芯片的功能，平时看课本，这次看了，下次就忘了，通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。认识来源于实践