课题函数波形发生器的设计

1、d课题二、函数波形发生器的设计一、实验目的拓展模拟集成电路的应用。二、实验原理在无线电通信，测量，自动化控制等技术领域广泛地应用着各种类型的信号发生器，常用的波形是正弦波，矩形波（方波）和锯齿拨。随着集成电路技术的发展，已有能力同时产生同频的方波，三角波和正弦波的专用集成电路，称为函数波形发生器，如ICL8038。1. 函数波形发生器专用集成电路ICL8038就是一个函数波形发生器，其引出脚的排列及性能见附录一。典型应用电路如图5-2-1所示。Rw110kR120k图5-2-1ICL8038典型应用电路ICL8038的内部原理见图5-2-2所示。6SV图5-2-2ICL8038内部原理框图CS

2、1CS2（或地）其基本工作原理如下。CS1和CS2是两个恒流源，它们和外接的定时电容C组成积分电路。电平比较器1和2以及双稳态触发器组成积分电路的控制电路。定时电容C上的三角波经缓冲级后由3脚输出。双稳态电路输出的方波经缓冲级后由9脚输出。三角波再经过一个正弦波变换器后边为正弦波由2脚输出。若要提高正弦波输出的带载能力，贝y可再外接一级跟随器。恒流源CSi与外接电容C固定连接在一起，而恒流源CS2则由双稳态电路控制的开关S来决定是否与电容C接通。若开关S断开，则只有CSi以电流I向电容C充电，电容C上的电压线性增大。当该电压上升到比较器1的阈值电平（电源电压的2/3）时，双稳态电路翻转，S接通

3、，此时，恒流源CS2以电流2I向电容C反向充电，由于同时还存在着CSi的作用，所以电容C将以电流I放电，电容C上的电压线形减小。当该电压下降到比较器2的阈值电平（电源电压的1/3）时，双稳态电路复位，S断开，仅剩下CSi向电容C充电。如此反复，从而形成振荡。由上述可见，只有当恒流源CS1=I,CS2=2I时，电容C的充、放电时间常数才相等，这时输出的三种波形均对称。不然，三角波将变为锯齿波，方波将变为矩形波（占空比50%）,正弦波将严重失真。电流源CS1和CS2的大小分别决定于外接电阻，即图5-2-1中的R4和R5。只有当R4=R5时才有CS1=I和CS2=2I，才能获得对称的三角波，方波和正

4、弦波。电位器Rw4=1kQ是用来调整输出波形的对称性，调整Rw2和Rw3可改善正弦波的失真。ICL8038的输出频率是8脚上电压的函数，即它是一个压控震荡器。当8脚与7脚（扫频偏(5-2-1)置电压-2.8V）相连时，输出频率是固定，若4,5脚的外接电阻相等均为R,则输出频率f=0.3/RC当8脚与一个连续可调的直流电压相连时，则输出频率连续可调。当此电压为最小值（近似为零）时，频率可达到很低。当此电压为最大时，频率最高，并且改变定时电容C的大小可改变最高输出频率。此连续可调电压由-12V电源电压经电阻Ri和电位器Rwi分压取得。而ICL8038的控制电压有效有效作用范围是0-3V，为此，选择

5、适当的Ri以保证最大控制电压为-3V左右。通常为保证调整的准确性，各电位器一般选择小型多圈式电位器。2. 锯齿波，矩形波产生电路如图5-2-3所示，这部分电路是由运放IC2构成的比较电路和由运放IC3构成的积分电路所组成。积分比较器后跟一级由运放IC4构成的跟随器，用以提高其带载能力。当Rw6=0时，积分电容C6的充放电时间常数T2和Ti相同，此时积分电路输出为三角波，比较电路输出为方波（占空比为50%）,随Rw6增大，积分电容C6的充电时间常数，即三角波的逆程时间T2增大（三角波的负斜率减小），于是原三角波变为锯齿波，原方波变为矩形波，如图5-2-4所示。图5-2-3锯齿波、矩形波产生电路V

6、t由图5-2-3可见，调节Rw6可改变T2及锯齿波周期T的大小（积分电容C6的放电时间常数T1与Rw6无关），相当于改变锯齿波的负斜率。矩形波的占空比以及它们的频率。调节Rw2即可改变锯齿波的输出幅度，同时因改变了加于运放IC2同相输入端电压，故又改变了,T2和T的大小。调节Rw5可改变运放IC2,IC3和IC4输出端的直流电平。可以证明：若矩形波输出的峰-峰值为Vp-pi,Rw7滑动点上半部分值Rw7,下半部分的值为Rw7,则锯齿波的峰-峰值Vp.p2为Vp_p2（Rw7/Rw7）Vp_p15-2-2T1=2（Rw7/Rw7）R12C65-2-35-2-45-2-55-2-6T2=2(Rw7

7、/Rw7)(Rw6Rl2)C6T=T1+T2T2/T=(Rw6Rl2)/(Rw62R12)3. 设计举例技术指标a. 能输出频率f=20Hz2kHz并连续可调的正弦波，三角波和方波。正弦波：峰-峰值Vp_p3V,非线形失真系数<5%三角波：Vp-p5V方波：Vp-p10Vb. 能输出频率f=20Hz500Hz并连续可调的锯齿波和矩形波锯齿波：Vp-p3V,负斜率连续可调.矩形波：Vp-p12V,占空比为50%90%并连续可调c. 能输出扫频波。元器件参数确定根据技术指标a中对函数波形发生器最高工作频率f=2kHz的要求，定时电容C3可由(5-2-1)式求得C3=0.3/f(R4+0.5R

8、w3)=0.029jF取标称值C3=0.022卩F,其标称值代码为223。根据技术指标b中对矩形波峰-峰值Vp-p=l2V要求，选用稳定电压Vz=6V的bV2二只构成双向限幅器。有卩A741的最大输出电压约为(VCC-1.5V)可得IC2b脚输出电阻为Vb=10.5V(Vcc=12V).bV2的稳定电流Iz5mA，故限流R10Vb-(VzVd)取标称值750Q或820Q均可。根据锯齿波斜率连续可调的要求，二极管D1和D2在电路中的极性如图5-2-3所示，可选用一般的开关二极管IN4148.根据ICL8038控制电压的有效作用范围0-3V，应调节Rw7使锯齿波的峰-峰值Vp-p2衣3V，调节Rw

9、5使IC3输出端的直流电平近似等于-1.5V。根据Vp-p1=12V,Vp-p2=3V,由5-2-2式求得Rw7_VP4_1Rw7Vp_p24当Rw6=0时，锯齿波的频率最高，且T1=T2=T/2.根据对锯齿波最高频率500Hz(即T=1/500)的要求，可知=1/1000.由5-2-3式求得R12C6=T1=210，2(Rw7/Rw7)积分电路中的电阻R12若取值过大，运放输入电流的影响将不可忽视；反之取值太小，流过积分电容C6的电流会超出运放的输出能力，故在此取R12=10kQ,则C6=0.2卩F取标称值C6=0.15uF,代码为154根据对矩形波最大占空比T2/T=90%的要求，由(5-

10、2-6)式求得Rw6=8R12=80kQ.取Rw6=100kQ，电位器阻值代码为104。作偏置用的电位器Rw5和作分压用的电位器Rw7一般为几十kQ几百kQ，在此取Rw5=20kQ,Rw7=100kQ总电路图设计举例参考图见图5-2-5，当开关k打到2位时，ICL8038输出的是扫频信号。一般选正弦型的扫频信号用。Rw8=100kQ是用来改善低频端波形的对称性。+12v图5-2-5设计举例参考图安装与调试通常，安装在面包板上进行。如果考虑到可靠性要求，可采用印制板走线方式，进行焊接，布线与走线要求详情可参考有关书籍。为了便于检查，一般采取分块方式，即每个单元（常以集成电路的中心分）相对集中，各

11、单元间界限明确。这样，对调试电路大有好处，因为我们常用也是以单元为中心调试，每级都调好，再连起总调。调试前先应从外观上检查有无明显的走线错误，元器件型号与电路图是否一致，电容，电阻标称值与要求是否一致等。a.将k置于1，将整个电路分成函数波形发生器部分和锯齿波，矩形波发生器部分。 函数波形发生器首先，观察有无输出波形。若有，调各电位器，使输出符合设计要求。应注意，有振荡波形时，先改变Rwi使频率调至约1kHz（工作带宽的一半），再将正弦波波形调好，最后波形从低频到高频变化，对称不好时调Rw4或Rw8。若无波形产生，则要先测量ICL8038的各脚，看是否与设计相吻合。找出故障所在之处，建议调试前

12、一定要熟悉原理，这样可以少走弯路。 锯齿波，矩形波发生器观察电位，调Rws使IC29脚直流电位为零，则8脚应有波形。调节Rw7使锯齿波的输出峰-峰值为3V。改变Rw6，其频率变化范围应符合技术指标，否则调整积分电容C的大小。都正常后，改变Rws使IC37脚输出电平为负，约为-1.5V，或者看波形直流分量时，波形最高点电压值为零。若无波形，则测量各级和运放各脚电位，分析判断故障所在之处。b.将锯齿波频率条到调到最低，k置2，观察扫频波。正常的扫频波，频率应连续变化，周期无间断。若有，可适当调节Rw5和Rw7，范围不可太大。即可。注意，用示波器观察波形时输入选择方式一律选择DC方式，以波形损耗造成

13、错误结果。三、设计任务1技术要求输入正弦波，方波，三角波频率为2kHz20kHz并连续可调；正弦波输出的峰-峰值Up-p3V,非线形失真系数w5%;输出矩形波，锯齿波频率为20Hz500Hz并连续可调；矩形波的Up_p12V，占空比为50%90%并连续可调；锯齿波的Up_p3V,负斜率连续可调输出扫频波用土12V电源供电。2完成要求基本要求能基本独立设计并完成技术要求中的项或项，指标符合要求。一般要求能基本独立设计并完成技术要求中的项和项，并能兼顾项内容，指标符合要求。特殊要求独立设计并完成技术要求全部内容，写出调试步骤，并能给出正常和不正常时的处理方法。常见故障可能有哪些，如果锯齿波该成正斜

14、率连续可调，如何实现，并将完成结果写出报告。3预习要求各类集成运放构成的波形产生电路及其原理一般放大电路和波形产生电路的设计方法。模拟电路的一般设计方法，电路安装，调试与总结。四、调试要点1对电路进行最后一次检查，主要是各器件型号与位置应正确，正负电源线不应错误，电解电容器极性不能接反，高电位接上，低电位接负。2将k置1，电路分成两部分分别调试。3正确连接正负电源端，最好电路板上作标记，以防接错，电压为±12V。4接通电源，静观几分钟，无异常，即进入调试。5全部调试完成后，测量各项指标，应符合技术指标，最后将每段电位和相应波形记录下来，作为正确结果，写入报告。五、设计报告要求1设计技术指标2说明函数波形发生器和矩形波，锯齿波发生器的组成及工作原理，并绘出原理框图。3主要电路的设计计算和元器件选择4各项测量数据及技术指标的实测结果。5拟订调试步骤。6画出实际电路图。7讨论与分析。就主要故障进行分析，并能