毕业论文 多功能波形发生器

多功能波形发生器

马伟

（渭南师范学院物理与电子工程系06级电信3班）

摘要：本设计是基于压控单片函数发生器芯片ICL8038的多功能波形发生器。其由电源电路，信号发生电路，输出驱动电路三部分组成，利用ICL8038产生方波、三角波、正弦波，通过对外接定时电容和电阻的调节从而实现对输出频率和占空比的调控。在1HZ～100KHZ内产生任意方波、三角波、正弦波。经过多次测试，本设计整机具有波形清晰，频率、相位和幅度相对稳定，没有明显失真。

关键词：ICL8038；方波；三角波；正弦波

引言

随着社会的发展，函数发生器的运用非常广泛，其在电子设计方面、电子电路、工业控制、教学科研等领域广泛应用，并且对电子测量和计量工作起着极其重要的作用。

美国Harris公司生产的单片精密函数波形发生器ICL8038可以通过外接少量元件来产生多种波形信号]1[。只需连接少量外围器件就产生0.001Hz～300KHz的三角波、锯齿波、正弦波、方波及脉冲波，利用对外接电阻和电容的改变来调节函数发生器芯片的频率调节电压，以达到更方便地对产生波形频率的调节和控制。然后利用运算放大电路将所产生的波形信号进行放大以满足设计所要求的幅度指标范围：方波0～5V；三角波±3V；正弦波0～5V。

1多功能波形发生器的设计方案

1.1 系统功能分析

本次毕业设计的目的就是设计出一种结构简单、性能可靠的多功能波形发生器。其核心问题是信号的控制问题，其中包括信号种类、信号频率以及信号强度的控制。

1.2 设计指标

设计产生方波、三角波、正弦波；

频率范围：1～100KHZ；

幅度范围：方波0～5V，三角波±3V，正弦波0～5V。

1.3 方案论证

方案一∶采用传统的直接频率合成器]2[。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容

易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

方案二∶采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率、相位都很难控制。

方案三：完全利用硬件电路的方法产生。随着半导体集成器件的迅速发展，出现了许多外围电路简单、调节方便、性能好、价格较低的单片集成精密函数波形发生器。例如美国MAXIM公司研制的单片高频精密函数波形发生器MAX038，美国Harris公司生产的单片精密函数波形发生器ICL8038，都可以通过外接少量元件来产生多种波形信号。其特点是产生的波形精度高、频率范围宽、稳定性好、电路结构简单。

考虑到在短时间内要完成一个结构简单、输出稳定的波形发生器的制作，所以本设计本着周期短、结构简单、输出稳定的特点，采用方案三，完全利用纯硬件电路的设计。

2 多功能波形发生器的设计及实现

2.1 多功能波形发生器组成原理

该多功能波形发生器主要由电源电路、信号发生电路、输出驱动电路三个部分组成，核心是国外的单片压控函数波形发生集成芯片ICL8038。多功能波形发生器原理框图如图2-1所示：

图2-1多功能波形发生器原理框图

1、电源电路：由于实验所用的单片压控函数发生器集成芯片采用双电源供电，所以该部分电路的功能是要把220V交流电转换成稳定的±12V的直流以供芯片正常工作。

2、信号发生电路：该部分是整个电路的核心，它能产生精度较高的方波﹑三角波﹑正弦波等多种信号并且产生的各种信号的频率可以通过选择不同外接电阻和电容，调节ICL8038芯片8管脚的电压来进行调节。

3、驱动电路：虽然由ICL8038和外围电路组成的函数发生器产生的信号可

以在示波器上显示，但是在一些电路负载较大的电路中直接输入由ICL8038和外围电路组成的函数发生器产生的信号，其效果很不理想，因此添加后置驱动电路以提高信号源的带负载能力。

2.2 电源电路

电源电路由变压器B2，整流管D1～D4，电容C1～C8及三端稳压器MC7812和MC7912组成，可提供±12V电源电压。其电路图见附录多功能波形发生器的电路原理图。

其工作过程如下：当外界有一个220V的交流电输入该部分时，首先变压器能有效的将220V交流转变为±15V交流，然后将其输入一个由四个二极管组成的整流桥电路，该电路将15V交流转变为15V直流；之后又经过电解电容和MC7812以及MC7912将其转换为稳定的±12V直流，这样一来就可以减少电源电路部分对后面的影响以提高电路的稳定性，从而减少系统误差。

2.3 信号发生电路

该部分是整个电路的核心，单片函数发生器ICL8038只需要使用少量电阻、电容元件组成的信号发生器能产生精度较高的方波、三角波及正弦波。R1、R2为方波输出占空比调节电阻，阻值为8.2k ，W4用来对R1、R2阻值进行微调：W1、W2、W3及R3组成分压网络，调节W2，改变ICL8038的8脚输人电压．可改变输出波形的频率；C3~C7为外接定时电容．改变开关K1的位置，可获得五个频段的输出信号；为了减小正弦波的失真度，ICL8038采用两套微调网络W5和W6，分别微调1脚和12脚电位。其电路图见附录多功能波形发生器的电路原理图。2.3.1 ICL8038芯片的介绍]3[

ICL8038是十四引脚的标准双列直插式集成电路，它的引脚排列如图2-2所示。

图2-2 ICL8038管脚图

ICL8038各引脚的名称、功能和用法简介如下：

(1)电源及地端：6脚V+，正电源电压输入端；11脚V-或GND ，负电源电压输入端或地端，当ICL8038单极性电源工作时，该端接地；当ICL8038双极性电源工作时，该端接负电源，应用中接用户系统正负电源正电源与地。

(2)输出端：2脚S .W .O ，正弦波电压信号输出端；9脚S .Q .O ，方波电压信号输出端，应用中通过一电阻接正电源；3脚T .O ，三角波电压信号输出端，实际应用中该三端可根据用户系统的需要，选其任意一路或全部作为用户系统的给定或参考信号，来完成用户系统所要求的控制功能。

(3)输入端：8脚F .S .I ，频率调制扫瞄电压输入端，该端输入电压的高低，决定了ICL8038输出波形频率的最高频率及最低频率范围，ICL8038输出波形的频率是该端施加电压的直接函数，通常对该端输入电压Vsweep 的范围要求是（2/3Vsupply+2V ）

(4)外接定时器件端：10脚T ·C ，定时电容连接端，该端所接电容C 与4脚、5脚所接的电阻一起决定了ICL8038的工作频率，该电容在工作中具有重要的作用，ICL8038内部的电流源正是给该电容充放电而得到三角波，进而形成正弦波及其方波，所以该电容应选择容量稳定，线性度好，电感量小，串联电阻小的高质量电容。在选值上，为了减少误差， 电容C 应按给其充电电流为1mA 的上限来选择。4脚 、5脚为D .C .F .A ，占空比及输出频率调节定时电阻连接端，该两端所接电阻A R 及B R 的值与10脚所接电容C 一起决定着ICL8038输出信号的频率，同时调节该两定时电阻可实现ICL8038输出波形的对称，连接于4脚的电阻A R 决定着输出信号正弦波及三角波的上升段和方波高电平的宽度t 1，而接于5脚的电阻B R 决定着输出信号正弦波及三角波的下降段和方波信号低电平的宽度t 2。

应用中若要获得很好的占空比调节效果，应保持A R 和B R 独立且在4脚及5脚与电源之间连接一个可调电位器，对要求占空比稍大于50％的场合，可将电位器的可调端接于正电源，而其两个固定端分别通过A R 及B R 连接于4脚及5脚，在不需要调节占空比的场合，可将4脚与5脚短接后通过一个电阻R 接正电源，这种接法会引起输出波形占空比及频率的较大变化。

电容C 充电的电流源的电流I 值过小(5mA )时电路内部晶体管的放大倍数β及饱和压降会带来误差，此I 值通常取l0µA ～lmA ，应特别注意的是A R 、B R 的选择应保证给电容C 充电的电流为I ，反向充电的电流为2I ，不然的话，在3脚会得到不对称的锯齿波电压，而在9脚得到占空比小于1％到大于99％的脉冲电压波形。