信号发生器

模拟电子课程设计
题目名称：信号发生器
姓名：
学号：
班级：
信息与电子工程学院
1．题目
信号发生器
2．设计任务和要求
用中小规模集成芯片设计制作产生方波、三角波和正弦波等多种波形信号输出的波形发生器，具体要求如下：
1）、输出波形工作频率范围为0.02HZ~20KHZ，且连续可调；
2）、正弦波幅值±10V，失真度小于1.5%；
3）、方波幅值±10V；
4）、三角波峰-峰值20V，各种输出波形幅值均连续可调。

3．总体方案
根据任务和要求，我选择采用ICL8038芯片作为主要元件来设计电路，可以同时产生同频的方波、三角波、正弦波。

另外需要一些外部元件的配合，设置一些适当参数，就可以达到题目的要求。

集成电路ICL8038是一种优良的单片函数信号发生器专用集成电路。

它只需外接少量阻容元件，就可以产生正弦波、方波和三角波。

其频率范围0.001Hz—300kHz，方波占空比可调，正弦波失真度可调，工作电压范围宽，输出信号幅度大于1V，使用十分方便。

ICL8030介绍：
是密集波形产生与压控振荡器，其基本特性为：输出正弦波、三角波、锯齿波、方波、和脉冲等波形。

ICL8030电源电压范围宽，采用单电源供电时，V+-GND 的电压范围+10—+30;双电源供电时V+-V-的电压可在正负5V-正负15V内选取。

电源电流约15毫伏。

震荡频率范围宽，频率稳定性好，频率范围是0.001Hz-300KHz。

输出波形的失真小，正弦波失真小于5%，经过仔细调整后，失真幅度可降低到0.5%。

三角波的线性度达0.1%。

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。

外围电路非常简单易于制作。

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。

通过调节外部祖荣元件值，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泛。

根据任务和要求，我选择采用ICL8038芯片作为主要元件来设计电路，可以同时产生同频的方波、三角波、正弦波。

另外需要一些外部元件的配合，设置一些适当参数，就可以达到题目的要求。

集成电路ICL8038是一种优良的单片函数信号发生器专用集成电路。

它只需外接少量阻容元件，就可以产生正弦波、方波和三角波。

其频率范围0.001Hz—300kHz，方波占空比可调，正弦波失真度可调，工作电压范围宽，输出信号幅度大于1V，使用十分方便。

如下是产生波形的原理框图。

4.详细设计
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
ICL8038的外部引脚图
管脚介绍：
I CL8038采用DIP—14封装，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。

在构成函数发生器时，应将7,8两脚端接。

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，
经缓冲器1从三角输出，由触发器获得的方波，经缓冲器2从第9脚输出。

再利用正弦波变换器将三角波变换成正弦波，从2脚输出。

改变电容的充放电时间，可实现三角波与锯齿波与矩形波的互相转换。

内部原理：
内部原理图
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Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的，输出Q=0，；
使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为
IS1=I
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Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的，S=0时，Q和保持原状态不变。

一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS 触发器的时，Q=1时，，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=I 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。

一直到uC下降到VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时，Q=0，，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。

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W1为输出频率细调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。

当RA=RB 时，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，根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式，故RA<2RB 。

为了进一步减小正弦波的失真度，电阻20K 与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8，通常取V8≥2/3Vcc 。

V8越高，Ia 、Ib 越小，输出频率越低，反之亦然。

RW2可调节的频率范围为
20HZ20~KHZ 。

V8还可以由7脚提供固定电位，此时输出频率f0仅有Ra 、Rb 及10脚电容决定，Vcc 采用双对电源供电时，输出波形的直流电平为零，采用单对电源供电时，输出波形的直流电平为Vcc/2。

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。

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N ＝4，失真度可以小于1。

在实测中得到正弦信号的失真度可达0．5左右。

其精度效果相当满意。

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R B <2R A
②电路振荡频率为f=1/T=I 1(1-I 1/I 2)/V H C 其中，V H 是窗口比较器上下限电压的差值，即2/3V CC -1/3V CC =1/3 V CC ； 电路设计时通常取I 2=2I 1。

因此电路振荡频率可转换为
f=1/T= I 1(1- I 1/I 2 )/(1/3)V CC C=3I 1/2V CC C
恒流源I的电流大小通常可由外部控制，从⑧脚外加电位器调节电流大小，以改变电路振荡频率。

5．整体电路
电路图
u2、u3和u9分别输出正弦波、三角波，方波电压。

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Ⅰ和Ⅱ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1／3 VCC时，电压比较器Ⅰ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IS2－IS1＝I，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1／3 VEE，使电压比较器Ⅱ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±5～±15 V，我们取±15V，频率的可调
范围为0.1～250 kHz，输出矩形波的占空比可调范围为5％～90％。

6．总结：
其它方案比较：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①。

但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求很高的频率覆盖系数，显然对于大频率变化会有积分时间dt的100000倍变化从而导致输出电压振幅的100000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。

应用价值：可以很方便的产生各种波形，用于简单的实验中，用示波器观察，有连续可调频率的功能。

改进意见：对电路参数的设置不够准确，如果经过精确的计算得到电路各元件的值，可以增大电路的功能。

减小失真。

7．附录：
元件清单
8．参考文献：
《课程设计指导书》
《电子电路设计与实践》华东科技出版社
《模拟电子技术及应用》西安：陕西国防学院电子教研室2005 9．收获和体会：
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，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。

所以这次的设计对我的作用是非常大的。

通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能运用到实际中去，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。