多波形信号发生器设计

多波形信号发生器设计摘要以ICL8038为核心的多功能波形发生器具有体积小、结构简单等特点，只需外接少量元件，便可产生精确的正弦波、方波和三角波信号，同时也能产生其他有用的波形。随着集成电路的快速发展，用ICL8038可以很方便的产生多种波形。与其他型号发生器相比它有很多优点，在通信工程，电子工程，自动控制，遥感控制的学科有非常广泛的应用。关键词ICL8038；压控振荡；低失真；频率调制DESIGNOFMOREWAVESIGNALGENERATORABSTRACTREPAIRINGENERGYSAVINGCOLORCOMPUTERMONITORSWITHASPECIALLYDESIGNEDSIGNALGENERATORCANAVOIDTHERISKOFDISPLAYADAPTORDAMAGE,ITALLOWSTHESWITCHONANDOFFOFTHEMONITORWHENINNEEDWITHOUTWORRYINGABOUTTHESAFETYOFTHESIGNALGENERATOR,THUSBRINGSABOUTGREATCONVENIENCETOTHEREPAIRINGSUCHASIGNALGENERATORCANBEREALIZEDWITHAFREEOSCILLATOROF7555TIMEBASEIC,FFOF7555TIMEBASEIC,ANDAFREQUENCYDIVISIONCIRCUITOFACD406014STAGEBINARYSERIALCOUNTERANDA74LS1612BITBINARYSYNCHRONOUSCOUNTERKEYWORDSICL8038VOLTAGECONTROLLEDOSCILLATIONLOWDISTORTIONFREQUENCYMODULATION目录引言11多波形信号发生器的构成12多波形信号发生器电路设计221ICL8038简介2211ICL8038管脚功能2212ICL8038工作原理2213ICL8038的应用322多波形信号发生器电路设计4221占空比电路4222频率调节电路5223输出波形选择电路7224信号输出电路7225电源电路8226系统总电路的设计83多波形信号发生器电路仿真84多波形信号发生器电路的安装与调试95结束语和展望10致谢10参考文献11附录A12附录B12引言波形发生器作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验、设计应用中必不可少的仪器设备之一。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统方式上经常采用分立元件555时基电路等产生正弦波、三角波和方波。振荡IC是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路，当调节外部参数时，可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。因此，专门集成电路广泛应用于仪器仪表之中。信号发生器根据用途不同,有产生三种或多种波形的发生器,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。上世纪70年代前，信号发生器主要有两类正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、方波、三角波等几种常用标准波形，到上世纪90年代末，出现了几种真正高性能、高价格的函数发生器。而在现今，对于波形发生器的要求向着更多元的方向发展不仅需要高速，高精度的，也更多需要价格便宜，功能相对简单的多波形信号发生器，以适用于各种对频率要求不高的特殊的场合。随着电子技术的快速发展,新材料新器件层出不穷,器件的可选择性大大地增加,例如ICL8038就是一种技术上很成熟的，可以产生正弦波、方波、三角波的芯片。1多波形信号发生器的构成基于ICL8038的多波形信号发生器构成如图11所示。采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为10HZ50KHZ1。2多波形信号发生器电路设计21ICL8038简介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片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于使用等优点，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，可被应用于压控振荡等波形发生电路。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要少量的外部元件就能产生从0001HZ30KHZ的低失真正弦波、三角波、矩形波信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外该芯片具有调制信号输入端，可以用来调制低频信号的频率。211ICL8038管脚功能频率选择控制ICL8038幅度控制方波波正弦波三角波方波直流电源图11多波形信号发生器的构成ICL8038各个管脚功能如下脚1、12（SINEWAVEADJUST）正弦波失真度调节；脚2（SINEWAVEOUT）正弦波输出；脚3（TRIANGLEOUT）三角波输出；脚4、5（DUTYCYCLEFREQUENCY）方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V）正电源10V18V；脚7（FMBIAS）内部频率调节偏置电压；脚8FMSWEEP外部扫描频率电压输入；脚9（SQUAREWAVEOUT）方波输出，为开路结构；脚10（TIMINGCAPACITOR）外接振荡电容；脚11（VORGND）负电源或地；脚12正弦波波谷平滑度及谷值调整，由此引脚电位控制，主要用于正弦波失真调节。脚13、14（NC）空脚。ICL8038的引脚排列如图21所示2。212ICL8038工作原理函数发生器ICL8038的电路结构如图22所示，共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1I，IS22I；令VSVCCVEE（下文均使用），则两个电压比较器和的阈值电压分别为2VS/3和VS/3，它们的输入电压等于电容器C两端的电压UC，输出电压分别控制RS触发器的端和端；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，充电电R流的大小由外接电阻决定。当IS1IS2时，输出三角波，否则为锯齿波。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。当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器和的输出电平分别为0、1；因而RS触发器的输出Q0，使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为IS1I，因充电电流是恒流，所以，电容上电压UC随时间的增长而线性上升。当上升为VS/3时，电压比较器输出为0电平，但Q保持原状态不变。一直到上升到2VS/3时，使电压比较器的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的R0，S1时，Q1时，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2IS1I因放电电流是恒流，所以电容上电压UC随时间的增长而线性下降。图21ICL8038管脚图起初，UC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但其输出Q不变。一直到UC下降到VS/3时，使电压比较器的输出电压跃变为高电平，此时S0，R1，Q0，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。当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器、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I2I1。当触发器的输出Q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Q由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2I1设I22I1），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，三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出3。213ICL8038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；改变外接电阻、电容值可改变输出信号频率，输出信号的频率范围可为0001HZ300KHZ；正弦信号输出失真度为1；三角波输出的线性度小于01；占空比变化范围为298；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（ICL8038ACJD）250（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源610610（V）1030V，双电源（V）（V）5V15V4。22多波形信号发生器电路设计设计的核心是信号的设计问题，其中包括信号频率的设计、信号种类的设计、控制信号幅度及系统电源电路的设计。221占空比电路图22ICL8038内部原理框图根据ICL8038的结构电路（见图22）可知，通过改变电容的充放电即可改变输出波形的占空比或对称性，电容的充放电时间不仅与电容的大小有关系还与电路中流入的电流大小有关系，而在外部电容确定不变的情况下，电容的充电与放电时间与4、5管脚所接电阻值有关系，在ICL8038芯片7、8脚短接的情况下，假设4脚外接电阻大小为RA，5脚外接电阻大小为RB，由ICL8038内部电路（见附录A）可知其内阻R1等于11K，R2等于39K，在电流源I1对电容进行充电时，电流源1电流为I1，电流源2电流为I2，电容充电时间为T1，放电时间为T2，占空比为D，因此可得其关系如下电流源I1对电容充电电流大小为21AS1RVI电流源I2对电容充电电流大小为21B2I占空比D等于高电平时间比总时间为21TD由以上两等式即可得到通过改变4、5脚的外接电阻的值来改变电容的充电时间，从而使得触发器在一次充放电过程完成的时间与电阻值的大小有关，即可根据电阻的大小来改变输出波形的占空比，因此电路设计为如上23所示，在4、5管脚之间连接一个可调节的电位器，通过调节电位器的电阻值来改变4、5脚的外接电阻值的大小从而实现对占空比的调节5。222频率调节电路根据ICL8038的结构电路可知，ICL8038的内部具有一个电压比较器和一个触发器，电压比较器管脚和外部电容C相连接，电压比较器的输入电压由电容充电得到，电容充电由ICL8038内部恒流源I1进行充电，当电容充电到达2VS/3的时候ICL8038内部开关S1由断开转换为闭合，电容C经过恒流源I2进行放电，当电容电压下降至VS/3时比较器复位触发器，使得S1由接通转化为断开，再由恒流源对电容进行充电，这样就完成了一次的振荡，如此循环就产生了稳定的振荡频率输图23占空比调节电路图24频率调节电路出。而振荡频率由电容充电时间决定，电容的充电时间由电容的大小及流入电容的电流大小决定，因此可得如下关系恒流源对电容充电（见图22），单位时间电压增量为1DTCV1电容C上电压从VS/3增至2VS/3时间为21S3I恒流源I2对C放电时间为321S23ICVT恒流源I1的电流大小为421AS1RI其中R111K，R239K均为ICL8038内阻，可有芯片结构图得到。将4式带入2试得恒流源I1对电容C充电时间为5CRVTAS12A153恒流源I2对电容C的放电电流为621BSRI将46式带入3式得恒流源I2对C的放电时间为7BA5TICL8038产生正弦波频率为821TF将57带入8式，取RARBR得9RCF30由9式可知在改变外部电容大小的情况下即可改变输出信号频率的大小，因此信号选择电路设计为图24，通过一个单刀四掷开关，每次选通一个电容接入电路中，即可由接入的电容值的大小产生相应频率的信号6。ICL8038的最佳工作状态为充电电流I11MA，要输出信号频率在10HZ到50KHZ范围内调节，根据9式若频率取最小值10HZ，则T01S，取T1T2005S，VS取12V由2得C为125UF，取10UF，则由9式得RARBR330K，电阻大小还可根据电路24调节。若要频率为15KHZ，则T0067MS，取TT20033MS，VS取12V由2得C为000825UF,取0008UF，则由9式得RARBR275K，电阻大小还可根据电路24调节。若要频率为30KHZ，则T0033MS，取TT20016MS，VS取12V由2得C为0004UF,取0003UF，则由9式得RARBR36K，电阻大小还可根据电路24调节。若要频率为45KHZ，则T0022MS，取TT20011MS，VS取12V由2得C为00027UF,取0002UF，则由9式得RARBR36K，电阻大小还可根据电路24调节。输出信号频率可根据滑动变阻器R进行调节，通过改变ICL8038芯片的8脚输入电压从而对输出信号频率的频率进行调节12。223输出波形选择电路如图25所示，ICL8038芯片的2管脚输出正弦波信号，3管脚输出锯齿波信号，9管脚输出方波信号，要通过输出部分对其进行选择输出相应的信号，因此只需要在某一时刻选择2、3或9管脚中的一个作为输出即可，因此本电路设计为将2、3、9管脚接单刀三掷开关，通过开关在某一时刻只选通一个波形信号作为输出，形成波形选择电路7。224信号输出电路如图26所示，由于设计要求要达到在对信号输出大小在10MV5V范围内输出，而ICL8038芯片的输出信号大小仅在毫伏级别，因此就需要一个外接的信号放大电路对ICL8038的输出信号进行放大，如图27所示，本设计采用集成运算放大器对信号的幅值进行放大，集成运算放大器采用OP07，运用OP07运算放大器构成反相比例运算电路，对输出的信号大小进行比例运算，从而即可输出幅值范围在10MV5V范围的信号大小，反相比例运算放大电路的输出信号的大小如下，通过改变反相比例运算电路的反馈电阻RF的大小即可根据RF与输入电阻R的比值关系得到输出电压的大小，其关系具体如下图26信号输出电路图25输出波形选择电路UORFUI/RI其中UI为ICL8038输出信号经过信号选择电路得到的输入电压，UO为通过运算放大器进行比例运算得到的输出电压，OP07输出电压范围为012V因此满足本设计的输出要求8。225电源电路如图27所示，电源电路由变压器B2、整流管D1D4、电容C1C8及三端稳压器MC7812和MC7912组成,首先将220V交流的电网电压经过变压器T进行降压输出得到交流15V的输出电压，然后讲交流15V的电压通过大电容的充放电过程对其进行滤波，得到相对平滑的输出电压，在将其输入到LM78012和LM7912三端稳压器器，通过三端稳压器进一步滤波，得到稳压器输出的12V电压，最后将得到的输出电压经过两个电容分别为10UF电解电容和01UF电容进行滤波，最后得到稳定的12V电源电压作为系统的电源输入电压9。226系统总电路的设计基于ICL8038的信号发生器电路如图28所示。图28基于ICL8038的信号发生器3多波形信号发生器电路仿真PTOTEUS中电路仿真设计图如图31所示。图23基于ICL8038的信号发生器图23基于ICL8038的信号发生器图27系统电源电路图31仿真电路的设计根据电路的原路，在PROTEUS里选择合适的器件，连接电路如上图，进行电路系统仿真。仿真波形如下图32、图33和图34所示。方波输出，UPP4V，频率在10HZ50KHZ范围内可调，如图32所示。三角波输出，UPP6V，频率在1050KHZ范围内可调，如图33所示。图32方波仿真输出图33三角波仿真输出正弦波输出，UPP1V，频率在1050KHZ范围内可调，如图34所示。从上面的模拟结果可以看出，电路产生的方波、三角波、正弦波波形美观，参数基本满足预期设想，电路的设计合理，符合本次试验的要求，可进行实际操作。4多波形信号发生器电路的安装与调试按照上面原理图焊接好电路之后，给电路提供工作电压（VCC的大小控制在12V左右），选择方波输出端并接入示波器，观察输出的波形。第一次调试电路能工作，示波器上出现的方波以及三角波和正弦波波形都比较理想，缺点是输出电压没有满足要求。开始的时候，发觉频率根本不满足要求，后来发现时接在芯片10脚的01UF电容太大，也没有找到更合适的电容，不过带入理论计算还是基本符合。后来换为30PF的电容，调节控制频率的滑动变阻器，频率满足要求。但是频率满足的情况下，牺牲了波形的美观，回到厂家给的芯片手册里，厂家给的一个典型应用电路频率也正好符合本次试验要求。可是电路的性能的确比较差，波形不是那么完美。到此，还有输出电压没有满足要求，把输出电压调到15V时，输出电压略有提升，基本符合要求。但是电源电压提高后，电路的功耗也就随之升高。最后结果表明ICL8038还没有发挥到它应有的性能，这也和布线有极大的关系，电阻电容的选择也有欠缺，这都是急需锻炼和培养的。5结束语和展望经过此次课程设计，我真切的明白了信号产生的原理和实现方法，也学会了一些软件的应用，但是在应用的过程中，出现了很多的问题，虽然解决了某些问题，可是仍然还有很多的问题没有办法解决，很想向老师请教，但是由于时间关系，没有办法求教于老师，很是遗憾。在做仿真的时候，正弦波产生电路能够很好的与理论值相吻合，但是方波三角波产生电路的仿真值和理论值就相差较大，比如说幅值和周期都不相符合，虽然想了很多，但是还是没有办法解决这个问题。个人认为软件的仿真是没有问题的，有