毕业设计（论文）-函数信号发生器的设计.doc

郑州大学郑州大学本科毕业论文（设计） 题 目 函数信号发生器的设计指导教师 职称 学生姓名 学号 专 业 自动化 班级 2 班 院 （系） 电子信息工程学院 完成时间 2012年4月20日 - 19 -函数波形发生器摘 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/正弦波/三角波/矩形波Function waveform generatorABSTRACT This system to ICL8038 integrated piece for the core device, making a kind of function signal generator, production cost is low. Suitable for use in electronic measurement of students learning. ICL8038 is a kind of has a variety of wave output precision oscillation integrated circuits, only need to individual external components can produce from 0.001 Hz 30 KHz low distortion sinusoidal, triangle, rectangle wave waves pulse signal. The frequency of the output waveform and occupies empties compared to still can control by current or resistance. Plus, because the chip has modulation signal input, so can be used to the low frequency signal frequency modulation. Function signal generator under uses different, has produced three species or multiple waveform of function generator, its circuit in the using of devices can is separation devices, also can is integrated devices, produced square, and sine wave, and triangle wave of programmed has multiple, as first produced sine wave, under periodic of non-sine wave and sine wave by is of a species determines of function relationship, then by plastic circuit will sine wave transformation for square, after integral circuit How will its becomes triangle wave. You can also have a triangle wave-wave, triangle wave or square wave into sine wave. With the rapid development of electronic technology, new materials and new device emerge, develop new style function signal generator, devices can be selectively increased substantially, for example ICL8038 is a technically mature can produce a sine wave, square wave, triangle wave of the main chip. So, you can choose variety of programmed, is technically feasible.KEY WORDS ICL8038, sine wave, triangular wave, rectangular wave目 录中文摘要 英文摘要 1 绪 论 11.1 项目建议 1 1.2 项目可行性研究 12 方案选择 2 2.1 方案一 2 2.2 方案二 33 系统原理图 43.1 波形发生设计原理图 43.2 供电电源原理图54 系统工作原理与分析 64.1 ICL8038芯片简介 64.1.1 ICL8038芯片描述 64.1.2 ICL8038的功能特点 64.1.3 ICL8038原理简介 74.2 电路分析 84.3工作原理 94.4 正弦函数信号的失真度调节 115 稳压电源 125.1 直流稳压电源设计思路 12 5.2 直流稳压电源原理 12致 谢 14参考文献 15附录1 16附录2 17附录3 18附录4 191 绪论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。2 方案选择2.1 方案一利用文氏电桥。文氏电桥又称文氏电桥振荡电路，是利用RC串并联实现的振荡电路。通过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。工作原理：文氏桥振荡电路由两部分组成：即放大电路 和选频网络，由集成运放组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入电阻高、输出电阻低的特点。由Z1、Z2组成，同时兼作正反馈网络，称为RC串并联网络。由右图可知，Z1、Z2和Rf、R3正好构成一个电桥的四个臂，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端图2-1原理图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，具体来说RC振荡电路优缺点：优点：输出信号频率范围可以在一个相当宽的范围内进行调节。缺点：只能产生低频信号精度低，低频电子线路运算放大器非线性震荡电路。优点：体积小，功耗低，精度高缺点：器件多,制作复杂因为题目要求有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。因此当选择文氏电桥时有诸多不便，也不能产生合乎要求的波形。2.2 方案二 利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦波，三角波，矩形波彻底单片集成电路。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。频率(或重复频率) 的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节， 调频及扫描可以由同一个外部电压完成。 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，输出由温度和电源变化范围广而决定， 这个芯片和锁相回路作用， 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过250ppm/，具有良好的温控效应。具体特点：具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm/；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有0.1高线性度；具有0.001Hz1MHz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；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；易于使用，只需要很少的外部条件。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； 综合上述两个方案的分析，方案二的优势是十分明显的，故我们采用第二种方案来产生信号。图2-2 ICL8038管脚图3 系统原理图3.1 波形发生设计原理图图中图中的ICL8038 为函数发生器专用IC，它具有3 种波形输出，分别正弦波、方波和三角波，ICL8038的第10脚外接定时电容，(定时电容：用在定时电路中的电容器称为定时电容。在需要通过电容充电、放电进行时间控制的电路中使用定时电容电路，电容起控制时间常数大小的作用)该电容的容值决定了输出波形的频率，电路中的定时电容从C1至C8决定了信号频率的十个倍频程，从500F开始，依次减小十倍，直到5000pF，频率范围相应地从0.05Hz0.5 Hz5Hz50Hz500Hz5kHz50kHz500kHz变动，如果C8取250pF，频率可达1MHz，因此可以通过外接电容来调节输出波形频率。图中的V1、R7、R8构成缓冲放大器，R9 为电位器，通过调节电位器R9的大小来改变输出波形的幅值。 整个电路的频率范围为0.05Hz1MHz，占空比可以从2%至98%调整，失真不大于 1%，线性好，误差不大于 0.1%，因此电路很有实用价值。故本次ICL8038波形发生器的设计采用此电路。图3-1 波形发生原理图3.2 供电电源原理图信号波形发电器可以单电源( 10v到30v )或双电源 ( 5v- 15v )中工作。由于ICL8038必须要求正、负双电源供电。现选择15V供电电源。选用双18V的变压器，滤波电容和CW7815和CW7915，组成的电路，现实正负15V直流电压源的输出。图3-2 电源原理图4 系统工作原理与分析4.1 ICL8038芯片简介4.1.1 ICL8038芯片描述 总体描述：ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角, 锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路. 频率(或重复频率) 的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节, 调频及扫描可以由同一个外部电压完成. 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，输出由温度和电源变化范围广而决定. 这个芯片和锁相回路作用， 具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过250ppm/4.1.2 ICL8038的性能特点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。第一，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。第二，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)。第三，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%。第四，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。第五，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。第六，外围电路简单。通过调节外部阻容元件值，很容易改变振荡频率。第七，此外8038还能实现FM调制，扫描输出4.1.3 ICL8038原理简介ICL8038采用DIP14封装，管脚如4-1图所示。1脚12 SINADJ1，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。 2脚 SINOUT 正弦波输出 3脚TRIOUT 三角波输出 4脚 5 DFADJ1，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。 6脚V+ 正电源 7脚 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压 8脚FMIN 调频电压输入端 9脚 SQOUT 方波输出 10脚C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比 11脚V- 负电源端或地 13， 14 脚 NC 空脚图4-1 ICL8038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。4.2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4-2为基本接法，图4-3和图4-4图可调节占空比。 图4-2 图4-3 图4-4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4-5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4-5，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4-5失真和占空比可调图4-6失真、占空比、频率可调图4-6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。4.3 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4-7。在图4-7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4-7 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。 4.4 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4-8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4-8正弦波失真度调节电路 5 稳压电源5.1 直流稳压电源设计思路信号波形发电器可以单电源( 10v到30v )或双电源 ( 5v- 15v )中工作。由于ICL8038必须要求正、负双电源供电。现选择15V供电电源。选用双18V的变压器，滤波电容和CW7815和CW7915，组成的电路，现实正负15V直流电压源的输出。电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要想获得低压直流输出，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。降压后的交流电压，通过整流电桥变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。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-滤波。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。5.2 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5-1 图5-1 直流稳压电源方框图其中：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。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。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5-2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5-3所示。图5-2整流桥图5-3 输出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5-4图5-4 稳压电路原理图致 谢本课题在选题及研究过程是在ccc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，虽历时较长，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4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