简易信号发生器设计说明1

1、第1章课程设计任务11设计目的1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术。2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。12设计技术指标与要求121设计要求基本要求：A、电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；B、输出信号的频率要求可调；C、拟定测试方案和设计步骤；D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；E、在面包板上或万能板上安装电路；F、测量输出信号的幅度和频率；H、写出设计性报告。22技术指标频率范围：100Hz-1KHz，1KHz-10KHz；输出电压：方波VP-P24V，三角波VP-P=8V，正

2、弦波VP-P=1V；方波tr小于30uS。13设计提示方案提示：1、设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波。如下框图所示。2、用单片集成芯片IC8038实现，但这种方案要求幅度和频率都可调，可采用数字电位器加程控放大器实现。第2章 系统开发过程21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。22

3、正弦波产生电路 正弦波振荡电路的振荡条件： 或 AF=1 在上式中，仍设 ，则可得：，即和，N=0,1,2···RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）图2.1为RC桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。电路的振荡

4、频率 起振的幅值条件 2 式中RfRWR2（R3 / rD），rD 二极管正向导通电阻。调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。如波形失真严重，则应适当减小Rf。改变选频网络的参数C或 R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。图2.1 RC桥式正弦波振荡器23方波发生器由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。图2.2所示为由滞回比较器及简单RC 积分电路组成的方波三角波发生器。它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。主要用于产生方波，或对三角波要求

5、不高的场合。电路振荡频率 式中R1R1'RW' R2R2'RW" 方波输出幅值 Uom±UZ三角波输出幅值调节电位器RW（即改变R2R1），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。如要互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。图2.2 方波发生器24三角波和方波发生器如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图2.3 所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。图2.4为方波、三角波发生器输出波形图。由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒

6、流充电，使三角波线性大大改善。 图2.3 三角波、方波发生器电路振荡频率 方波幅值 Uom±UZ三角波幅值 调节RW可以改变振荡频率，改变比值可调节三角波的幅值。 图2.4方波、三角波发生器输出波形图25ICL8038芯片简介及典型应用-FSKICL8038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和FSK调制器。ICL8038芯片简介1 性能特点具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超

7、过50ppm；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1的失真度；三角波输出具有01高线性度；具有0001Hz1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，298之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。、管脚功能图2.5为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。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±

8、;10V±18V；脚7（FMBias）：内部频率调节偏图2.5ICL8038管脚图3 、置电压输；脚8(FM Sweep)：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（V orGND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚。4 、基本电路的工作原理：图2.6ICL8038内部框图其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触

9、发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的23倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的13倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决

10、定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。适当选择外部的电阻RA和RB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

11、越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当满意。第3章 设计与应用要点31函数信号频率和占空比的调节由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给，也可以由外部供给。图3.1为几种由内部供给偏置电压调节的接线图。 图3.1ICL8038典型应用在以上应用中，由于第7脚频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定，其频率为F，周期T，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。Tt1t2f1T由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的13倍，分得的时间为t1

12、=CV/I=(C+1/3·Vcc·R A)/(1/5·Vcc)=5/3RA·C 在电容放电时，电压降到比较器输入电压的13时，分得的时间为t2CVI（C13·VCC）（25·VCCRB15·VCCRA）（35·RARB·C）（2RARB）f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR）对图3（a）中，如果RARB，就可以获得占空比为50的方波信号。其频率f3（10RAC）。32正弦函数信号的失真度调节由于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。该芯片的第1脚和第12脚就是为

13、调节输出正弦波失真度而设置的。图4为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，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，在实际应用中，两只100K的电位器应选择多圈精度电位器，反复调节，可以达到很好的效果。图3.2正弦波失真度调节电路3.3 基于ICL8038的FSK调制电路该电路如图3.3所示电路中稳压二极管的作用是将振荡频率根据需要设定一个中心频率点。电阻R1和1000PF的电容器用来减小扫描引起的占空比变化。利用8038压控振荡的功能，将数据信号通过运算放大器接到第8脚扫描控制端，振荡频率随着数据0电平和1电平而改变。图3.3ICL

14、8038的FSK调制电路在实验中，我们用62V稳压二极管设定中心频率，振荡电容值选择01f，基带信号0和1电平值为TTL电平，速率为2400bps，经过本调制电路后测试，中心频率为1900Hz，0和1电平对应的输出信号频偏f±400Hz，其幅度没有发生变化，输出正弦波的失真度均不超过11，说明扫描电压引起的失真变化非常小，基本没有寄生成分，输出0和1电平值与输出信号值的对应关系如表1所示。当码速提高到9600bps时，经过实验测试，输出正弦波信号的失真度已变差，所以用ICL8038构成的调制电路，其码速一般在4800bps以下。根据实验可知，利用此电路得到的FSK调制信号，其最低频率

15、和最高频率可以依据具体实际情况在调制过程中改变，只需调整数据0电平值和1电平值的大小，就能改变FSK调制信号的频偏，而且调制信号幅度不受影响。经过实际验证，用ICL8038芯片制成的FSK调制电路,输出的正弦波的寄生调幅成分极小，其性能远比滤波法优越。又因采用了运算放大器使输入扫描电压（调制信号）相对于输出信号的线性度也得到很大改进，其输出信号正弦波的频率变化随输入扫描电压值线性变化，斜率为016Hzmv。在应用ICL8038精密函数发生器设计、研制FSK调制器时，应注意以下两点：振荡电容器C的性能优劣，直接影响整个电路工作频率的稳定，在实验中，我们采用了性能稳定，温度系数小的金属化电容器，经

16、测试，其输出函数信号的频率稳定度可达到103；由于RA和RB是决定输出信号占空比的关键元件，所以在实际使用中，尽量选择温度系数小，精度高的金属电阻和精密多圈电位器。表1“0”与“1”对应表数据信号电平值频率值码速00V1500Hz2400bps15V2300Hz第4章 提出解决问题的方案及选取4.1三角波变换成正弦波由运算放大器单路及分立元件构成，方波三角波正弦波函数发生器电路组成如图4.1所示，由于技术难点在三角波到正弦波的变换，故以下将详细介绍三角波到正弦波的变换。文 氏电 桥正弦波比较器积分器方波三角波 图4.1411 利用差分放大电路实现三角波正弦波的变换波形变换的原理是利用差分放大器

17、的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图4.2所示。由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。 图4.242 用二极管及集成运放组成的函数发生器采用二极管电阻转换网络折线逼近法。十分明显，用折线逼近正弦波时，如果增多折线的段数，则逼近的精度会增高，但是实际的二极管不是理想开关，存在导通阈值问题，故不可盲目的增加分段数；在所选的折线段数一定的情况下，转折电的位置的选择也影响逼近的精度。凭直观可以判知，在正弦波变化较快的区段，转折点应选择的密一些；而变化缓慢的区段应选的稀疏一些。二极管电阻网络折线逼近电路对于集成化来说是比较简单，但

18、要采用分立元件打接则会用到数十个器件，而且为了达到较高的精度所有处于对称位置的电阻和二极管的正向导通电阻都应匹配。实现起来不是很方便的。另外折线逼近电路的原理是应用电路传输的非线性，故作用于变换电路的输入信号的幅度必须是固定的。而且这个转换网络还有输出阻抗高的缺点。 图4.3 二极管电阻转换网络图4.3 用差分放大电路及集成运放组成的函数发生器图4.4第5章 电路设计说明5.1 ICL8038的工作原理： 采用8038集成电路，它的内部结构和外观图如上面图2.5和图2.6所示，在图二中，电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的大

19、小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压vC随时间线性上升，当vC上升到vC=2VR/3 时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出Q端由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2>I1 ，因此电容C放电，vC随时间线性下降。当vC下降到vCVR/3 时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，vC又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若I2=2I1 ，vC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输

20、出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I1<I2<2I1 时，vC的上升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。5.1.1 电路的原理图：在电路设计的提高部分我们增加了调幅电路图5.1 原理图5.1.2 电路原理说明 由图3.1和图3.2及8038的原理结构可以知道，通过改变电容可以调节整个波形的频率范围，这是粗调，相对而言，调节R1可是达到某个频率，这是细调。7脚和8脚短节可以使频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定，其频率为f，周期T，t1为振荡

21、电容充电时间，t2为放电时间Tt1t2f1T由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的13倍，分得的时间为t1=CV/I=(C+1/3VccR A)/(1/5Vcc)=5/3RAC 在电容放电时，电压降到比较器输入电压的13时，分得的时间为t2CVI（C13VCC）（25VCCRB15VCCRA）（35RARBC）（2RARB）f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR）如果RARB，就可以获得占空比为50的方波信号。其频率f3（10RAC）。按照设计要求，方波VP-P24V，三角波VP-P=6V，正弦波VP-P=1V，在8038的2、3、9脚后面接调幅电路。可以通过选择

22、拨码开关实现，两个741芯片组成两极放大电路，调节R1和R2改变比例系数来实现电压的放大。5.2 元件参数的选择 通过以上分析，可以选取以下元件的值来实现设计要求。 R1=20K R2=10K R3=10K R4=10K RA=4.7K RB=4.7K RP1=10K RP2=1K RP3=100K RP4=100KC=4700pF C1=0.1uF 5.3 电路PCB板图：图5.2 PCB板图第章 电路的EDA实现及仿真分析6.1 输出瞬态分析通过在1K10K的范围内对电位器的调节，我们可以得到频率覆盖1K10KHz的各输出波形。两个边界频率的瞬态分析结果见以下诸图： 10KHz三角波0dB

23、 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）10KHz方波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）10KHz正弦波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）1KHz三角波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）1KHz方波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）1KHz正弦波0dB 20dB 30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）6.2 波形参数的测量 注：以下各参数的测量均在Protel 99SE SIM9

24、9的仿真支持下，由Casor测量光标辅助完成的，其中失真度的测量是通过引入同频率等幅的标准信号源的方法测出的。由于这几个参数的测量都要将信号高倍放大，需占用较大的幅面，因此不再抓图印证。 输出幅值的测量：测量条件：f=5KHz RL=600 输出端口幅值范围OUT1( 0dB)6V28mVOUT2(-20dB)0.6V2.8mVOUT3(-30dB)60mV0.28mV 方波上升时间的测量：测量条件：Uo=4V 频率f=1KHzf=10KHz上升时间655.74ns555.70ns 正弦波失真度的测量：测量条件：Uo=3V 频率f=1KHzf=10KHz失真度2.35%3.10% 鉴于所采用正

25、弦波的失真系数的测量方法有较大误差。为此，特在Uo=7V的测试条件下在0dB端口对f=1KHz的正弦波进行了Fourier分析，如下图：1KHz正弦波0dB输出时的Fourier分析图（Protel 99 SE SIM99仿真） 由图可见：电路高频谐波分量是比较少的。总结： 以上测试数据证明，该电路已远远超过了课程设计题目所要求的各项性能指标，而且其三角波、方波的表现又颇为突出，通过改变三角波积分电容的方法，还可以将频率覆盖扩展至10Hz100KHz。6.3温度扫描分析以下三图是在 f=5.831KHz RL=600 0dB输出-1050步长为20的温度扫描图：5.831KHz三角波-10+5

26、0温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）5.831KHz正弦波-10+50温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）5.831KHz方波-10+50温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）由图可见，波形除了时间上存在延迟外并无畸变。电路在该温度范围内是正常工作的。第7章 检测电路前的调试实践表明，一个电子装置，即使按照设计的电路参数进行安装往往也难于达到预期效果。这是因为人们在设计时，不可能周全地考虑各种复杂的客观问题，必须通过安装后的测试和调整，来发现和纠正设计方案的不足。然后采取措施加以改进，使装置达到预定的技术指标。因此调整电子电路的技能对从事电

27、子技术及有关领域工作的人员来说，是不应缺少的。调试的常用仪器有：万用表、示波器、信号发生器。7.1 调试前的检查电子安装完毕，通常不宜急于通电，要形成这种习惯，先要仔细检查。其检查内容包括：7.1.1 连线是否正确 检查的方法通常有两种方法：7.1.1.1按照电路图检查安装的线路 这种方法的特点是根据电路图连线，按一定顺序安装好的线路，这样比较容易查出哪里有错误。7.1.1.2按照实际线路来对照原理图电路进行查线这是一种以元件为中心进行查线的方法。把每个元件引脚的连线一次查清，检查每个去处在电路图上是否存在，这种方法不但可以查出错线和少线，还容易查出多线。为了防止出错，对于已查过的线通常应在电

28、路图上做出标记，最好用指针式万用表“欧姆1”挡，或数字万用表“欧姆挡”的蜂鸣器来测量，可直接测量元、器件引脚，这样可以同时发现接触不良的地方。7.1.2元器件的安装情况 检查元器件引脚之间有无短路和接触不良，尤其是电源和地脚，发光二极管“+”、“-”极不要接反。7.2 调试方法与原则7.2.1通电观察 把经过准确测量的电源接入电路。观察有无异常现象，包括有无元件发热，甚至冒烟有异味电源是否有短路现象等；如有此现象，应立即断电源，待排除故障后才能通电。7.2.2静态调试 交流和直流并存是电子电路工作的一个重要组成部分。一般情况下，直流为交流服务，直流是电路工作的基础。因此，电子电路的调试有静态和

29、动态调试之分。静态调试过程：例如，通过静态测试模拟电路的静态工作点，数字电路和各输入端和输出端的高低电平值及逻辑关系等，可以及时发现已损坏的元器件，判断电路工作情况，并及时调整电路参数，使电路工作状态符合设计要求。7.2.3动态调试调试的方法是在电路的输入端接入适当频率和幅值的信号，并循着信号流向来检测各有关点的波形，参数和性能指标。发现故障应采取各种方法来排除。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标是否满足设计要求，如必要再进一步对电路参数提出合理的修正。7.3调试中注意的事项为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点： 7.3.1正确使用测量仪器的接地端7.3.2

30、测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。7.3.3仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。要正确选择测量点。7.3.4用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。7.3.5调试过程中，不但要认真观察和测量，还要于记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。7.3.6调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存

31、在各种问题。我们应该认真检查.调试结果是否正确，很大程度受测量正确与否和测量精度的影响。第8章 实验数据及其分析在检测实验成品的性能过程中 ，我们考虑到某些频率段的失真度比较大。故只用两个主要的频率段进行测量和分析，在此，请读者谅解！在示波器中，其中的波形幅值分两种档位：10×R和1×R。 数据波形频段选择C=4700PF(f=1k10kHz)C=0.01F(f=1001kHz)档位 10× 1×三角 波f（频率）4000Hz701.8 HzVp-p7.8V800mVVmax4.24V440mVVmin-3.60V-360mV占空比50%49.1%方波f

32、（频率）4008 Hz699.3 HzVp-p16.8V1.68VVmax9.4V811mVVmin-7.4V-718mV占空比49.7%50%正弦波f （频率）4000 Hz701.8 HzVp-p5V540mVVmax2.44V286mVVmin-2.56V-168V占空比48.8%43.5%在数据的测试当中，我们可以看出正弦波的失真度比较大，在测频1100Hz时，整个电路所测出的波形都有很大的失真，故不测出其结果。把此数据与上面仿真结果得到我们的电路还存在很多问题，分析其中原因正如在直流稳压源的设计报告中也存在同样的问题。第9章 元件清单本设计所需元件及器材如下： 名 称 数 量ICL8038芯片1个电阻4.7K 10K 20K共6个精密电位器100K2个精密电位器10K1个精密电位器1K1个无极性电容4700pF1个无极性电容0.1uF1个电源白色插座1个缚铜板1块镊子1个尖嘴钳1个斜口钳1个数字万用表1个Fecl3若干排插若干焊锡丝若个电源白色插座1个铜柱个第10章 心得体会模拟电子技术是我系（电气与信息工程系）的一门重要的技术基础课。该课程不但要求理论基础扎实，而且需要很强的实践性。因此除安排