基于ICL8038的 函数信号发生器设计说明

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南华大学电气工程学院
《电子技术课程设计》任务书
设计题目：
基于 ICL8038 的信号发生器
专 业：
10 级电子 02 班
学生: 王超 学 号: 20104470245
起迄日期: 2012 年 11 月 16 日——2013 年 1 月 1 日
指导教师:
朱卫华
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《电子技术课程设计》任务书
1．课程设计的容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：
1.1 课程设计容 题目：基于 ICL8038 的信号发生器 要求：
（1） 输出波形 方波、三角波、正弦波等。

（2） 频率围 输出频率围一般可分为若干波段。

（3） 输出电压 输出电压一般指输出波形的峰—峰值。

（4） 波形特性
正弦波：谐波失真度，一般要求小于 3％。

三角波：非线性失真度，一般要小于 2％。

方波：上升沿和下降沿时间。

1.2 课程设计要求 综合运用已学习过模拟电路和数字电路等知识，阅读相关集成电路芯片资料和相关
文献，了解电子电路设计的有关知识，方法和特点，掌握基本的电子电路设计和芯片使 用方法。

2．对课程设计成果的要求〔包括图表（或实物）等硬件要求〕：
设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文 字不得少于 3500 字。

要求图纸布局合理，符合工程要求，使用 Protel 软件绘出原理图 （SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。

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3．主要参考文献：
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参考文献
【1】康华光，电子技术基础模拟部分（第五版）[M]，高等教育，2005； 【2】康光华，电子技术基础数字部分（第五版）[M]，高等教育，2005； 【3】黄智伟．全国大学生电子设计竞赛技能训练[M]．北京：北京航空航天大学，2011；
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基于 ICL8038 的信号发生器设计
1 整体设计思想
利用单片集成函数信号发生器 ICL8038、集成振荡器、电位器等外围电路灵 活的组成，使通过电源来产生产生正弦波、方波、三角波等波形电路。

工作原理 整体框图如图 1.1 所示。

幅度控制
频率选 择控制
ICL 8038
方波 三角波 正弦波
直流电源
图 1-1 由 8038 构成的函数发生器电路组成框图
2 详细设计
2.1、ICL8038 的工作原理
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；改变外接电阻、电容值可改变， 输出信号的频率围可为 0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为 1%；三角波输 出的线性度小于 0.1%；占空比变化围为 2%～98%；外接电压可以调制或控制输出 信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为 120*10-6 （ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：+10～ +30V，双电源（+V）（V-）：±5V～±15V。

图 3-1 是管脚排列图，以下是功能框 图。

8038 采用 DIP-14PIN 封装。

表 2-1ISL8038 管脚功能：
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管脚符号
功能
1&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
SINOUT 正弦波输出
3
TRIOUT 三角波输出
4&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
V+ 正电源
7
FMBIAS 调频工作的直流偏置电压
8
FMIN 调频电压输入端
9
SQOUT 方波输出
10 C 外接电容到 V-端，用以调节输出信号的频率与占空比
11 V- 负电源端或地
13&14 NC 空脚
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图 2-1 ICL8038 管脚图


2.2、ICL8038 部框图介绍
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图 2-2 ICL8038 的电路结构
函数发生器 ICL8038 的电路结构如图虚线框所示（图 3-2），共有五个组成 部分。

两个电流源的电流分别为 IS1 和 IS2，且 IS1=I，IS2=2I；两个电压比较 器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 S 以及 S 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；充点电流 Is1、Is2 的大小由外接电 阻决定。

当 Is1=Is2 时，输出三角波，否则为矩尺波。

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。

2.3、方案电路工作原理（见图 2-3）
图 2-3 函数信号发生 器
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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 Rp1 为输出 频率细调电位器，电位器 Rp2 调节方波占空比，电位器 Rp3、Rp4 调节正弦波的 非线性失真。

2.4、两个电压比较器的电压传输特性如图 1-4 所示
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图 2-4 两个电压比较器的电压传输特性


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2.5、常用接法
如图（3-2）所示为 ICL8038 的引脚图，其中引脚 8 为频率调节（简称为 调频）电压输入端，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。

如图（3-5）所示为 ICL8038 最常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开 路形式，需外接电阻 RL 至+VCC。

在图(a)所示电路中，RA 和 RB 可分别独立调 整。

在图(b)所示电路中，通过改变电位器 Rp 滑动的位置来调整 RA 和 RB 的数 值。

（a）
（b） 图 2-5 ICL8038 的两种基本接法
当 RA=RB 时，各输出端的波形如下图(a)所示，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，图 (b)所示为矩形波占空比是 15%时各输出端的波形图。

根据 ICL8038 部电路和外 接电阻可以推导出占空比的表达式为
故 RA<2RB。

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（a）矩形波占空比为（b）矩形波占空比
50%的输出波形
15%的输出波形
图 3-6 个占空比的输出波形
为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如下图（图 3-7）所示电路中两个 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。

图 2-7 减小失真度的电路波形
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3 仿真
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3.1、软件仿真
采用 Protues 软件仿真，电路连接比较简单，但是在仿真的过程中出现很多问题， 特别是频率问题，根据计算公式当电阻 R=10K 时，要使输出频率达到 1Hz，则电 容的值应选 33uF,但是在仿真的过程中但换挡到电容为 1uF 的时候波形就变成了 直线，后面通过改变电阻也不行，输出的频率总是达不到 100Hz 以下。

3.2、硬件仿真
软件仿真没有达到预期要求，接下来通过硬件仿真。

硬件仿真其次是在面
包板上直接插元器件进行仿真。

硬件仿真和软件仿真的结果完全不一样，输出频
率完全能到达 1Hz。

另外就是在第一次做失败的硬件电路的调试过程中进行了仿
真。

4 系统测试及误差分析
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4.1、测试仪器
双踪示波器、万用表。

4.2、误差分析及改善措施
正弦波失真。

调节1角和12角R100K电位器，可以将正弦波的失真减小到1%。

输出方波不对称，改变10K电位器来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，10K电位器、阻值为100电阻与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节电位器和换接电容可以改变信号输出频率。

没有振荡。

是10脚与11脚短接了，断开就可以了。

产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。

5 元器件清单
6 原理图及实物图
原理图
实物图
7 设计总结
通过本课程的设计，使我对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，精度高。

系统输出频率围较宽且经济实用。

在本次课程设计中最大的收货就是学习了如何去硬件仿真一个电路，并且也了解了到了对于一个问题的理论与实践的差异，就像这次的硬件仿真和软件仿真，结果完全不一样，知道了硬件仿真的重要性与不可取代性。