函数信号发生器课程设计报告

课程设计与实训报告——课程设计题目：设计和制作一函数信号发生器一、设计方案的选择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①。

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、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u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。

c8038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：⑴线性良好、稳定性好；⑵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；⑶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；⑷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。

二、函数发生器设计思路由ICL8038引脚图和功能表可以知道，使用ICL8038制作函数发生器，只需在外围搭建简单的电路，并且电路的组成不同可以实现不同的功能，如在4、5号脚上用分压式连接一个滑动变阻器，就可以实现对方波的脉宽、占空比的调节。

同样在7、8号脚上连接可变电阻就可以调节正弦波的频率，在1、12号脚上连接可变电阻可以对正弦波失真进行调节。

ICL8038供电电压，如采用单电源供电时，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。

所以要使其工作，需要一个整流电路来获得其工作的电压。

综上分析，有如下的方框图如下：三、直流稳压电源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。

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3-1 T 工频交流脉动直流 直流整流滤波稳压负载图3-1 直流稳压电源方框图 整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3-2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R L ，且方向是一致的。

电路的输出波形如图3-3所示。

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。

稳压电路可选集成三端稳压器电路。

总体原理电路见图3-4t 0ππ2π3π422U t 0ππ2π3π4o u 22U 图3-2整流电路 图3-3 输出波形图图3-4 稳压电路原理图3、设计方法简介①、集成三端稳压器的选择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1.2V~37V ，最大输出电流m ax O I 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3-5和图3-6。

图3-5 管脚 图3-6典型电路输出电压表达式为:⎪⎭⎫ ⎝⎛+=11125.1R RP U o 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REF V ，此电压加于给定电阻1R 两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器1RP ，电阻1R 常取值120Ω~240Ω，1RP 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10µF 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：1.2V ～37V ；输出负载电流：1.5A ；输入与输出工作压差ΔU=U i -U o ：3～40V能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

4、整流电路仿真及波形：整流电路仿真图：仿真结果波形图：四、系统工作原理与分析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0．1％高线性度；具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，2％～98％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。

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3、ICL8038原理简介ICL8038采用DIP－14封装，管脚如下图4-1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Ⅱ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4-1 ICL80384、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。

，图4-2-1为基本接法，图4-2-2和图4-2-3图可调节占空比。

图4-2-1 图4-2-2 图4-2-3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。

T＝t1＋t2 f＝1／T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1/3倍，分得的时间为t1=CV/I=(C+1/3•Vcc•R A)/(1/5•Vcc)=5/3RA•C在电容放电时，电压降到比较器输入电压的1/3时，分得的时间为t2＝CV/I＝(C＋1/3•VCC)/(2/5•VCCRB－1/5•VCC/RA)＝(3/5•RA＊RB•C)/(2RA－RB)f＝1/（t1＋t2）＝3/｛5RAC［1＋RB/（2RA－R）］｝针对以上电路失真无法调节的缺点，改进方案，实现正弦波正负失真的可调。

见图4-3-1，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，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4-3-2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。

图4-3-1：失真和占空比可调图4-3-2：失真、占空比、频率可调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4-4。

在图4-4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C 1、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I2>I1，因此电容C放电，vc 随时间线性下降。

当vc下降到vc≤VR/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，v c 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4-4 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。