基于ICL8038的函数信号发生器毕业设计.docx

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基于ICL8038的函数信号发生器毕业设计

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摘要

本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。

适合学生学习电子技术测量使用。

ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。

输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。

另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。

函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。

也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。

随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。

所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。

关键词：

ICL8038，波形，原理图，常用接法目录

摘要·······································································1

目录·····································································2

第一章项目任务·························································3

1.1项目建·····························································3

1.2项目可行性研究·······················································3

第二章方案选择··························································4

2.1[方案一]···························································4

2.2[方案二]···························································4

第三章基本原理··························································5

3.1函数发生器的组成····················································6

3.2方波发生器　························································6

3.3三角波发生器　······················································7

3.4正弦波发生器······················································9

第四章稳压电源························································10

4.1直流稳压电源设计思路·············································10

4.2直流稳压电源原理·················································11

4.3设计方法简介······················································12

第五章振荡电路························································15

5.1RC振荡器的设计··················································15

第六章功率放大器·························································17

6.1OTL功率放大器··················································17

第七章系统工作原理与分析·················································19

7.1ICL8038芯片简介··················································19

7.2ICL8038的应用··················································19

7.3ICL8038原理简介··················································19

7.4电路分析··························································20

7.5　工作原理························································20

7.6正弦函数信号的失真度调节··········································23

7.7ICL8038的典型应用··············································24

致谢　·····································································25

心得体会··································································26

参考文献··································································27

附录1·····································································28

附录2·····································································29

附录3·····································································30

第一章项目任务

1.1项目建议

函数信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。

在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。

例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转线圈上加随时间线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。

对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波正弦波三角波以及锯齿波阶梯波等电压波形的电路或仪器。

因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的函数信号发生器。

1.2项目可行性研究

函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。

也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。

随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。

所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的。

第二章方案选择

2.1〖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。

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。

2.2〖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uc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。

8038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。

第三章基本原理

3.1函数发生器的组成

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。

电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。

函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。

下面我们将分别对各个波形的发生进行分析，从而达到在合成电路时使电路更加合理。

3.2方波发生器：

如图3-2-1用运算放大器滞回比较器和、C积分电路组成的，输出电压经、C反馈到运放的反相输出端，因此积分电路起延迟和负反馈作用。

图3-2-1

参看图3-2-1所示电路，设在接通电源的时刻，电容器两端电压，输出电压，则加到运放同相输出端的电压为。

式中，。

此时通过向C充电，使运放反相输入电压由零逐渐上升。

在以前，保持不变。

在时刻，上升到略高于，由高电平跳到低电平，即变为。

时，，同时通过向C充电，使运放反相输入端电压由零逐渐上升。

在以前，保持不变。

在时刻，下降到略低于，由低电平跳到高电平，即变为，又回到原始状态。

如此周而复始，循环不已，因此产生振荡，输出方波。

根据上边的分析，可以画出与的波形如下图所示：

图3-2-2

由波形可知，从时刻的下降到时刻的，再上升到时刻的，所需的时间就是一个振荡周期在到这段时间，的变化规律是简单RC电路充放电规律，其常数为，初始值为（时刻），终了值为（t→∞），故

在时，，代入上式后可求得

同样可求得

由于高低电平所占的时间相等，故是方波。

其振荡周期为

若选取适当的、值，使，则，于是振荡频率为：

3.3三角波发生器：

根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当RC积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和RC积分电路就可以组成三角波信号发生器。

三角波信号发生器的电路组成如图3-2-3所示。

图中的运算放大器组成方波信号发生器，组成RC积分电路。

该电路的工作原理是：

方波信号发生器输出的方波。

图中等还可构成同相滞回比较器，和、C等组成反相积分电路。

信号输入积分电路，在积分电路的输出端得到三角波信号。

积分电路的输出端除了输出三角波信号外，并通过电阻R1将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端，将三角波信号整形变换成方波信号输出。

该电路的工作波形图如图3-3-3所示。

图3-3-3

根据上图可以看出在t=0时，比较器输出电压为高电平，电容两端的电压为零，即略低于，，则积分电路输出电压。

此时电容被充电，显然

于是线性下降，也下降，直到时，略低于，即略低于零时，从突跳到，同时也跳变到更低的值（比零低的多）。

可见，在前的一瞬间，，，而从流过和的电流相等，则，

故

后，由于，故电容放电，其两端电压

因

故于是线性上升，也上升。

直到时，略大于零，从突跳到。

可见，在前的一瞬间，，，则，

故

在以后电路周而复始，循环不以，形成振荡。

则根据分析可以画出和的波形，如图3-3-4所示。

图3-3-4

其中为方波，为三角波。

之所以为三角波，是由于电容充放电的时间常数相等，积分电路输出电压上升和下降的幅度和时间相等，上升和下降的斜率的绝对值也相等。

显然，三角波峰值为：

下面求振荡周期。

由于，而当时，有

则

故

则可以在调整三角波电路时，应先调整或,使其峰值达到所需要的值，然后再调整或C，使频率能满足要求。

3.4正弦波发生器：

又称文氏电桥振荡器，如图1-3-1所示，其中A放大器由同相运放电路组成，图3-4-2，因此，

图3-4-1

图3-4-2

F网络由RC串并联网络组成，由于运放的输入阻抗Ri很大，输出阻抗Ro很小，其对F网络的影响可以忽略不计，从图3-4-3有

由自激振荡条件：

T=AF=1有

所以上式分母中的虚部必须为零，即

上式的实部为1，即

对图3-4-2同相运放，须满足

以上分析表明：

1文氏电桥振荡器的振荡频率，由具有选频特性的RC串联网络决定。

2图中文氏电桥振荡器的起振条件为，即要求放大器的电压增益大于等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予补偿。

但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。

图3-4-3

第四章稳压电源

4.1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。

4.2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4-1

图4-1直流稳压电源方框图

其中：

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

（3）滤波电路：

可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3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RL，且方向是一致的。

电路的输出波形如图4所示。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即。

电路中的每只二极管承受的最大反向电压为（U2是变压器副边电压有效值）。

在设计中，常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。

选择电容滤波电路后，直流输出电压：

Uo1=（1.1～1.2）U2，直流输出电流：

（I2是变压器副边电流的有效值。

），稳压电路可选集成三端稳压器电路。

总体原理电路见图4-4

图4-4稳压电路原理图

4.3设计方法简介

4.3.1根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。

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4-5和图4-6。

图4-5管脚图4-6典型电路

输出电压表达式为:

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，此电压加于给定电阻两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器，电阻常取值，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=Ui-Uo：

3～40V

能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

4.3.2选择电源变压器

1）确定副边电压U2:

根据性能指标要求：

Uomin=3VUomax=9V

又∵Ui-Uomax≥（Ui-Uo）minUi-Uoin≤（Ui-Uo）max

其中：

（Ui-Uoin）min=3V，（Ui-Uo）max=40V

∴12V≤Ui≤43V

此范围中可任选：

Ui=14V=Uo1

根据Uo1=（1.1～1.2）U2

可得变压的副边电压：

2）确定变压器副边电流I2

∵Io1=Io

又副边电流I2=（1.5～2）IO1取IO=IOmax=800mA

则I2=1.5＊0.8A=1.2A

3）选择变压器的功率

变压器的输出功率：

Po>I2U2=14.4W

4.3.3选择整流电路中的二极管

∵变压器的副边电压U2=12V

∴桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：

桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：

查手册选整流二极管IN4001，其参数为：

反向击穿电压UBR=50V>17V

最大整流电流IF=1A>0.4A

4.4.4滤波电路中滤波电容的选择

滤波电容的大小可用式求得。

1）求ΔUi:

根据稳压电路的的稳压系数的定义：

设计要求ΔUo≤15mV，SV≤0.003

Uo=+3V～+9V

Ui=14V

代入上式，则可求得ΔUi

2）滤波电容C

设定Io=Iomax=0.8A，t=0.01S

则可求得C。

电路中滤波电容承受的最高电压为，所以所选电容器的耐压应大于17V。

第五章振荡电路

5.1RC振荡器的设计

RC振荡器的设计，就是根据所给出的指标要求，选择电路的结构形式，计算和确定电

路中各元件的参数，使它们在所要求的频率范围内满足振荡的条件，使电路产生满足指标要求的正弦波形。

RC振荡器的设计，可按以下几个步骤进行：

1．根据已知的指标，选择电

路形式。

2．计算和确定电路中的元件

参数。

3．选择运算放大器

4．调试电路，使该电路满足

指标要求。

设计举例：

设计一个振荡频率

为800Hz的RC（文氏电桥）正弦波

振荡器。

图5-1RC正弦波振荡器

设计步骤如下：

根据设计要求，选择图5-1所示电路。

1．计算和确定电路中的元件参数。

（1）根据振荡器的频率，计算RC乘积的值。

（2）确定R、C的值

为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响。

按：

RiRR0

的关系选择R的值。

其中：

Ri（几百kΩ以上）为运算放大器同相端的输入电阻。

R0（几百Ω以下）为运算放大器的输出电阻。

因此，初选R=20kΩ，则：

（3）确定R3和Rf（在图1中Rf=R4+Rw+rdR5）的值。

由振荡的振幅条件可知，要使电路起振，Rf应略大于2R3，通常取Rf=2.1R3。

以保证电路能起振和减小波形失真。

另外，为了满足R=R3Rf的直流平衡条件，减小运放输入失调电流的影响。

由Rf=2.1R3和R=R3Rf可求出：

R3=R=

取标称值:

R3=30k

所以:

Rf=2.1R3=2.1=63k.

为了达到最好效果,Rf与R3的值还需通过实验调整后确定。

（4）确定稳幅电路及其元件值。

稳幅电路由R5和两个接法相反的二极管D1、D2并联而成，如图1所示。

稳幅二极管D1、D2应选用温度稳定性较高的硅管。

而且二极管D1、D2的特性必须一致，以保证输出波形的正负半周对称。

（5）R5与R2的确定

由于二极管的非线性会引起波形失真，因此，为了减小非线性失真，可在二极管的两端并上一个阻值与rd（rd为二极管导通时的动态电阻）相近的电阻R5。

（R5一般取几千欧，在本例中取R5=2k。

）然后再经过实验调整，以达到最好效果。

R5确定后，可按下式求出R2。

R2=Rf（R5rd）RfR52=63k1k=62k

为了达到最佳效果,R2可用30k电阻和50k的电位器串联（即R2=R4+Rw）。

（6）选择运放的型号

选择的运放，要求输入电阻高、输出电阻小，而且增益带宽积要满足：

Auo•BW3fo

的条件。

由于本例中的fo=800Hz，故选用μA741集成运算放大器。

第六章功率放大器

电子电路一般都由多级放大器组成。

多级放大器在工作过程中，一般先由小信号放大电路对输入信号进行电压放大，再由功率放大电路进行功率放大，以控制或驱动负载电路工作。

这种以功率放大为目的的电路，就是功率放大电路。

能使低频信号功率放大的放大器，即为低频功率放大器，简称功率放大器。

6.1OTL功率放大器

图6-1-1所示为OTL低频功率放大器。

其中由晶体三极管T1组成推动级（也称前置放大级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，它们组成互补推挽OTL功放电路。

由于每一个管子都接成射极输出器形式，因此具

图6-1-1OTL功率放大器实验电路

有输出电阻低，负载能力强等优点，适合于作功率输出级。

T1管工作于甲类状态，它的集电极电流IC1由电位器RW1进行调节。

IC1的一部分流经电位器RW2及二极管D，给T2、T3提供偏压。

调节RW2，可以使T2、T3得到合适的静态电流而工作于甲、乙类状态，以克服交越失真。

静态时要求输出端中点A的电位，可以通过调节RW1来实现，又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。