函数信号发生器电子设计报告_2

电子综合设计报告
设计题目：函数信号发生器
一、综合设计方案
要求：可以输出正弦波、方波、三角波；频率范围200Hz~10KHz;方波输出
电压幅度U
P-P =5V, U
P-P
≈3V。

函数信号发生器由以下两部分组成：
（1）、±12v稳压电源电路
使用变压器、全桥、LM7812、LM7912设计出±12v稳压电源电路。

（2）、波形产生电路
用集成函数发生器ICL8038、集成运算放大器 LF353设计出能产生方波、三角波、正弦波的信号发生器。

二、有关电子器件介绍
1、LM7812和LM7912
LM7812是正12v三端稳压器，LM7912是负12V三端稳压器，如下图所示
2、LF353
集成运算放大器 LF353为二运算放大器，该集成电路内含两个独立的运算放大器。

LF353主要用途：
适用于各种稳压电源电路。

主要特点：
输出稳定性好、使用方便、输出过流、过热自动保护。

极限值：( Tc=25 ℃)
电特性：( Tc=25 ℃)
最大输入电压VI 35 V
最大输出电流Io 1.5 A
最大耗散功率PD 20 W
最高结温Tjm 150 ℃
贮存温度Tstg －55～150 ℃
3、ICL8038
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集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。

因此，广泛用于仪器仪表之中。

（1）ICL8038性能特点
ICL8038是性能优良的集成函数发生器。

可用单电源供电，即将引脚11
接地，引脚6接+V
CC ，V
CC
为10~30V；也可双电源供电，即将引脚11接-V
EE
，
引脚6接+V
CC
，它们的值为+5~+15V。

频率的可调范围为0.001Hz~300KHz。

输出矩形波的占空比可调范围2%～98%，上升时间为180ns，下降时间为40 ns。

输出三角波（斜坡波）的非线性小于0.05%。

输出正弦波的失真度小于1%。

（2）ICL8038管脚功能
上图为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。

引脚1、12（Sine Wave Adjust）：正弦波失真度调节；
引脚2（Sine Wave Out）：正弦波输出；
引脚3（Triangle Out）：三角波输出；
引脚4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节
引脚6（V
＋
）：正电源±10V～±18V；
引脚7（FM Bias）：内部频率调节偏置电压输入，数值是引脚7与电源+V
CC 之差，它可作为引脚8的输入电压；
引脚8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入，电路振荡频率与调频电压成正比；脚9（Square Wave Out）：方波输出，为开路结构；
引脚10（Timing Capacitor）：外接振荡电容；
引脚11（V
－
or GND）：负电原或地；
引脚13、14（NC）：空脚。

（3）ICL8038内部电路结构
函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示，共有五个组成部分。

两个电流源的电流分别为I S1和I S2，且I S1=I和I S2=2I；两个电压比较器Ⅰ和
Ⅱ的阈值电压分别为2/3V
CC 和1/3V
CC
它们的输入电压等于电容两端的电压U
C
，
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；两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，是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。

除了RS触发器外，其余部分均可由前面介绍的电路实现。

RS触发器是数字电路中具有存储功能的一种基本单元电路。

Q和是一对互补的状态输出端，当Q为高电平时，为低电平；当Q为低电平时，为高电平。

S和是两个输入端，当S和均为低电平时，Q为低电平，为高电平；反之，当S和均为高电平时，Q为高电平，为低电平；当S为低电平且为高电平时， Q和保持原状态不变，即储存 S和变化前的状态。

（4）ICL8038工作原理
当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，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，为高电平；使开关S断开，电流源I S1对电容充电，充电电流为
I S1=I
因充电电流是恒流，所以，电容上电压U
C 随时间的增长而线性上升。

当U
C
上升
到1/3V
CC
时，虽然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U
C 上升到2/3V
CC
，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电
平（同时变为低电平），导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为
I S2-I S1=I
因放电电流是恒流，所以，电容上电压U
C
随时间的增长而线性下降。

起初，
U
C
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U
C 下降到1/3V
CC
，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
（同时为高电平），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。

适当选择外部的电阻R
A 和R
B
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。

①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=I1(1-I1/I2)/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= I1(1- I1/I2 )/(1/3)V CC C=3I1/2V 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。

三、总电原理图
图1稳压电源部分
C29=2200 uＦ C30=0.33 uＦC31=0.1 uＦ C32=100 uＦ
C33=2200 uＦ C34=0.33 uＦ C35=0.1 uＦC36=100 uＦ
图2 信号产生部分
1、稳压电源
图1所示电路为双极性±12伏对称稳压电源电路，从图可见，稳压电源是由变压器、二极管整流桥、滤波器和集成稳压等环节组成。

它采用两只三
端稳压器，7812和7912构成的简单实用的对称型正负稳压电源。

该电源输出电压为±12V，输出电流最大为l.5A。

对7812和7912的选择，力求性能参数尽量对称。

注意7912管脚的输入、输出和接地都与7812不同的。

工作原理：
首先，通过变压器，给电路的1与3两端输入15伏的交流电压。

接着进入整流桥，通过整流桥整流滤波后得到的直流输入电压分别接在7812与7912的输入端和公共端之间，也就是它们的第2和第3脚。

在输出端即可得
到稳定的输出电压正12伏电压。

为了改善纹波电压，在输入端接入电容C30及C34，一般C30及C34的容量为0.33uF。

出端接上电容及，以改善负载的瞬态响应，C31及C35的容量一般为0.1uF。

两个电容应接在集成稳压器的引脚
处。

输入电流电压Ui的值应至少比Uo高2V 。

另外，在稳压电源输出端加上了一个发光二极管D，其中R是二极管的保护电阻，以确保二极管的工作电流在0.5mA左右。

当有输出电压时，发光二极管就会亮。

使用中应注意：
①整流桥输出地端应接在大电解电容上，以利于降噪。

电解电容应大于1000 uＦ，以为7812三端稳压模块提供较稳定的直流输入。

②为消除三端稳压模块内部产生的高次谐波，抑制稳压电路的自激震荡，实现频率补偿，应在模块两端分别并联一小电容。

2、信号产生电路
图2所示为函数信号发生器，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①脚、⑫脚外接可变电阻，用于改善正弦波的失真度，调节它们可使输出的正弦波接近于理想正弦波。

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，两只100K的可变电阻R705和R706反复调节，可以使输出的正弦波达到很好的效果。

④脚和⑤脚外接电阻，用于改变内部恒流源I
1和I
2
的比值，从而控制输出
信号的占空比，通常输出方波信号。

在④脚和⑤脚外接两个3.6KΏ电阻，为了克服电阻的误差，常用一个可变电阻即R W703进行微调，使输出信号的占空比为50%。

⑧脚外接电位器R701用于改变电路振荡频率，调节它可使电路振荡频率在
20Hz～20KHz范围内变化。

输出端的LF353是双运放，第一级运放是反相比例运算电路，放大倍数约为10倍，采用电压并联负反馈方式，用于波形放大；第二级运放采用电压串联负
反馈方式，因为ICL8038的输出端为高阻输出，如果所接负载为低阻负载，则应在输出端加一级电压跟随器，用于阻抗变换，以适应阻抗的匹配。

该电路图中参数的确定：输出信号频率范围为10Hz～11KHz；幅度调节范围为正弦波0～12V、三角波0～20V、方波0～22V。

如需要得到更高的工作频率，可适当改变三档电容器的电容值。

注意事项：
1、当调节I2=2I1时，电路振荡的占空比为50%。

当由外部控制两个恒流源的电流比值I1/I2不等于2时，可产生占空比不等于50%的矩形脉冲和锯齿波，但无
法获得正弦波输出，因为只有对称的三角波输入到正弦波变换器，才能变换为正弦波输出。

2、⑩脚外接的定时电容C的质量优劣直接影响振荡频率的稳定性，因此要选用优质的电容。

四、电路调试
1、将直流稳压电源通电，用万用表测试输出电压。

测试结果为
正极性输出电压：11.86V
负极性输出电压：-14.35V
2、将直流稳压电源接到信号产生电路，ICL8038的②脚接到后边的双运放电路，
⑩脚依次接C703、C702、C704，LF353的⑦脚接到示波器上。

通电以后，用示波器观察输出的正弦波波形。

调节两个100K的可变电阻，减小正弦波的失真度。

调节R W701改变正弦波的频率，调节R W702正弦波的幅度。

依次将ICL8038的③与⑨脚接到后边的双运放电路。

测试结果：
频率可调范围：
⑩脚接C704:0～238Hz
⑩脚接C703:69～2KHz
⑩脚接C702:625Hz～16.7KHz
正弦波幅度可调范围：0～15V
三角波幅度可调范围：0～18V
方波幅度可调范围：0～20V。

五、电路总体性能评价
此函数信号发生器能产生稳定的正弦波、三角波和方波，波形的频率和幅度都可以调节，且频率和幅度可调节范围大，频率可调范围为0～16.7KHz。

正弦
波的失真度小，三角波的非线性很小，方波的占空比可以自己调节。

此外，函数信号发生器的输出波形受到的干扰很小，波形非常稳定。

以上设计的函数信号发生器需要进一步完善，在此电路中波形的频率无法显示，需要设计一个频率显示计用来显示频率。

六、应用前景分析
此函数信号发生器产生的波形稳定，失真很小，体积小，性能优良。

如果加上频率显示计，就具有很好的实用性，封装起来可以直接作为信号发生器使用。

但是由于ICL8038这个芯片的市场价格非常贵，给普及使用造成不便，所以需要对ICL8038这个芯片继续研究，降低它的价格，优化它的性能。