非常有用的ICL8038信號發(fā)生器設(shè)計文稿

1、引 言 信號發(fā)生器是科研及工程實踐中重要的儀器之一， 在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域系統(tǒng)設(shè)計及調(diào)試過程中，用不同頻率的正弦波、三角波和方波常作為信號源，應(yīng)用十分方便。過去常由分立元件及集成運放構(gòu)成振蕩器，分立元件體積大、相對耗能高、故障頻率也高。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可以很快、很方便的構(gòu)成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實現(xiàn)的信號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有很大的提高。信號發(fā)生器根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的發(fā)生器,其電路中使用的器件可以是分離器件,也可以是集成器件,產(chǎn)生方波,正弦波

2、,三角波的方案有多種,如先產(chǎn)生正弦波,根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關(guān)系,再通過整形電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波,經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣?。也可以先產(chǎn)生三角波-方波,再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,新材料新器件層出不窮,器件的可選擇性大幅增加,例如ICL8038就是一種技術(shù)上很成熟的可以產(chǎn)生正弦波,方波,三角波的主芯片。ICL8038精密函數(shù)發(fā)生器是采用肖特基勢壘二極管等先進(jìn)工藝制成的單片集成電路芯片，電源電壓范圍寬、穩(wěn)定度高、精度高、易于用等優(yōu)點，外部只需接入很少的元件即可工作，可同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波，其函數(shù)波形的頻率受內(nèi)部或外電壓控制，可被應(yīng)用

3、于壓控振蕩等波形發(fā)生電路。一. 課題方案設(shè)計與選擇 圖1.1 函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖 （一）函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計方案 方案一：采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。此方案中函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖如圖1.1所示。由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。方案二：利用單片集成

4、函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038、集成振蕩器、電位器等外圍電路靈活的組成，使通過電源來產(chǎn)生產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等波形電路。工作原理整體框圖如圖1.2 所示。頻率選擇控制 三角波 正弦波 幅度控制直流電源 方波圖1.2 由8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器電路組成框圖 ICL8038 （二）方案選取 經(jīng)過分析比較，由于方案一函數(shù)發(fā)生器所采用電路復(fù)雜，不易理解，更不容易掌握，所以本課題采用方案二利用單片集成函數(shù)信號發(fā)生器ICL8038、集成振蕩器、集成定時器等靈活的組成來產(chǎn)生產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等波形電路，具有線路簡單，調(diào)試方便，功能完備，輸出波形穩(wěn)定清晰，信號質(zhì)量好，精度高，系統(tǒng)輸出頻率范圍較寬且經(jīng)濟(jì)

5、實用，而且具有較高的溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性。特別適合用于工控和電子實驗室，當(dāng)輸出緩沖電路獨立設(shè)置多路時，可同時多路輸出三種信號，比較容易滿足設(shè)計需要。二. 電路的設(shè)計過程與分析（一）電路設(shè)計原理圖及與應(yīng)用要點 1.函數(shù)信號頻率和占空比的調(diào)節(jié)由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器有兩種工作方式，即輸出函數(shù)信號的頻率調(diào)節(jié)電壓可以由內(nèi)部供給，也可以由外部供給。圖2.1為幾種由內(nèi)部供給偏置電壓調(diào)節(jié)的接線圖。圖2.1ICL8038典型應(yīng)用 在以上應(yīng)用中，由于第7腳頻率調(diào)節(jié)電壓偏置一定，所以函數(shù)信號的頻率和占空比由RA、RB和C決定，其頻率為F，周期T，t1為振蕩電容充電時間，t2為放電時間：Tt1t2f1T

6、（2-1-1)由于三角函數(shù)信號在電容充電時，電容電壓上升到比較器規(guī)定輸入電壓的13倍，分得的時間為： t1=CV/I=(C+1/3·Vcc·RA)/(1/5·Vcc)=5/3RA·C (2-1-2)在電容放電時，電壓降到比較器輸入電壓的13時，分得的時間為： t2CVI（C13·VCC）（25·VCCRB15·VCCRA） （35·RA RB·C）（2RARB） (2-1-3) f1（t1t2）35RAC1RB（2RAR） (2-1-4)對圖2.1最左視圖中，如果RARB，就可以獲得占空比為50的方波信號

7、。其頻率f3（10RAC）。2.函數(shù)發(fā)生器原理圖由于ICL8038單片函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波是由三角波經(jīng)非線性網(wǎng)絡(luò)變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度而設(shè)置的。圖2.2為一個調(diào)節(jié)輸出正弦波失真度的典型應(yīng)用，其中第1腳調(diào)節(jié)振蕩電容充電時間過程中的非線性逼近點，第12腳調(diào)節(jié)振蕩電容在放電時間過程中的非線性逼近點，在實際應(yīng)用中，兩只100K的電位器應(yīng)選擇多圈精度電位器，反復(fù)調(diào)節(jié)，可以達(dá)到很好的效果，圖2.2即為產(chǎn)生三種波形的函數(shù)發(fā)生器的原理圖。 圖2.2 函數(shù)發(fā)生器原理圖 （二）電路主要芯片的分析2.3 ICL8038實物圖 1.ICL8038 管腳功能圖及實物圖 圖2.

8、3為ICL8038實物圖。腳1、12 （Sine Wave Adjust）：正弦波失真度調(diào)節(jié)；腳2（Sine Wave Out）：正弦波輸出；腳3（Triangle Out）：三角波輸出；腳4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比調(diào)節(jié)、正弦波和三角波的對稱調(diào)節(jié)；腳6（V）：正電源±10V±18V；腳7（FMBias）：內(nèi)部頻率調(diào)節(jié)偏置電壓輸；腳8(FM Sweep)：外部掃描頻率電壓輸入；腳9（SquareWaveOut）：方波輸出，為開路結(jié)構(gòu)；腳10（TimingCapacitor）：外接振蕩電容；腳11（V orGND）：負(fù)電原或地；腳13、14

9、（NC）：空腳。如圖2.4所示。 圖2.4 ICL8038管腳圖 2.ICL8038的性能特點 （1）具有在發(fā)生溫度變化時產(chǎn)生低的頻率漂移，最大不超過50ppm。 （2）正弦波輸出具有低于1的失真度。 （3）三角波輸出具有01高線性度。 （4）具有0001Hz1MHz的頻率輸出范圍；工作變化周期寬。 （5）298之間任意可調(diào)；高的電平輸出范圍。 （6）從TTL電平至28V。 （7）具有正弦波、三角波和方波等多種函數(shù)信號輸出。 （8）易于使用，只需要很少的外部條件。 3.ICL8038的工作原理 ICL8038 是單片集成函數(shù)信號發(fā)生器，其內(nèi)部框圖如圖2.5所示。它由恒流源I1和 I2、電壓比較

10、器A和B、觸發(fā)器、緩沖期和三角波變正弦波電路等組成。 圖2.5 ICL8038內(nèi)部原理框圖 外接電容C由兩個恒流源充電和放電，振蕩電容C由外部接入，它是由內(nèi)部兩個恒流源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態(tài)是由恒流源1對電容器C連續(xù)充電，增加電容電壓，從而改變比較器的輸入電平，比較器的狀態(tài)改變，帶動觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)來連續(xù)控制的。當(dāng)觸發(fā)器的狀態(tài)使恒流源2處于關(guān)閉狀態(tài)，電容電壓達(dá)到比較器1輸入電壓規(guī)定值的23倍時，比較器1狀態(tài)改變，使觸發(fā)器工作狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將模擬開關(guān)K由B點接到A點。由于恒流源2的工作電流值為2I，是恒流源1的2倍，電容器處于放電狀態(tài)，在單位時間內(nèi)電容器端電壓將線性下降，當(dāng)電容電壓下降

11、到比較器2的輸入電壓規(guī)定值的13倍時，比較器2狀態(tài)改變，使觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)回到原來的狀態(tài)，這樣周期性的循環(huán)，完成振蕩過程。 在以上基本電路中很容易獲得4種函數(shù)信號，假如電容器在充電過程和在放電過程的時間常數(shù)相等，而且在電容器充放電時，電容電壓就是三角波函數(shù)，三角波信號由此獲得。由于觸發(fā)器的工作狀態(tài)變化時間也是由電容電壓的充放電過程決定的，所以，觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，就能產(chǎn)生方波函數(shù)信號，在芯片內(nèi)部，這兩種函數(shù)信號經(jīng)緩沖器功率放大，并從管腳3和管腳9輸出。 適當(dāng)選擇外部的電阻RA和RB和C可以滿足方波函數(shù)等信號在頻率、占空比調(diào)節(jié)的全部范圍。因此，對兩個恒流源在I1和I2電流不對稱的情況下，可以循環(huán)調(diào)節(jié)，

12、從最小到最大，任意選擇調(diào)整，所以，只要調(diào)節(jié)電容器充放電時間不相等，就可獲得鋸齒波等函數(shù)信號。正弦函數(shù)信號由三角波函數(shù)信號經(jīng)過非線性變換而獲得。利用二極管的非線性特性，可以將三角波信號的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。三. 電路設(shè)計的仿真與調(diào)試 （一）電路仿真調(diào)試 用子電路模型仿真的方法適用于器件被重復(fù)多次調(diào)用的情況，有一勞永逸之感；缺點是建模較煩瑣。層次式電路仿真的方法的優(yōu)點是只需畫出電路圖而不需創(chuàng)建電路模型，其缺點是次級電路不能被重復(fù)使用，若要重復(fù)調(diào)用次級電路，則必須先將重復(fù)性層次式電路轉(zhuǎn)化為一般性層次式電路。實驗表明，用上述兩種方法不僅能較好地實現(xiàn)脈沖電路的仿真，也能用于其它數(shù)字電路和

13、數(shù)模混合電路的仿真與調(diào)試，且仿真結(jié)果的誤差極小，能較好地指導(dǎo)電路設(shè)計和實驗。1.信號波形時間 所有信號波形對稱都可由外部時間電阻器來調(diào)整。最佳的結(jié)果通過保持時間電阻器RA和RB的獨立 。RA控制三角波，正弦波的上升的部份和矩形波的1 個狀態(tài)。 三角信號波形的大小被設(shè)置在1/3 電源電壓，因此三角的上升的部份是和三角波和正弦波下降部分和矩形波的狀態(tài)。  當(dāng)RA = RB時占空比為50%，如果占空比僅在50%小范圍變化，連接所在圖2.1左元器件是稍微比較方便的。1k的電位器不能允許占空比達(dá)到50%，在所有儀器中，如果占空比達(dá)到50%電位器是用4.7k而不是5k。方波占空比80%

14、相位關(guān)系波形變化可以通過連接外部定時電阻時間和頻率而不依賴于電源電壓,盡管所有的電壓都不是由內(nèi)部集成電路調(diào)節(jié)。這歸結(jié)于實際電流和門限是直接的，電源電壓是線性函數(shù)，因而他們的不起作用。2.減少失真 為了減小正弦波失真，在管腳11和12之間的82K電阻最好是可變電阻及電位器也可。這種安排使失真少于1%是可以達(dá)到的。為了減少得更多, 二臺電位器可能按照上圖2.1左顯示的連接，這種典型構(gòu)造使得正弦波失真減少近0.5% ，正弦波失真達(dá)到最低的連接。3.選擇RA，RB和C 對任何特定的輸出頻率,有廣泛的RC組合工作, 然而, 為了最佳性能某些制約因素限制了充電電流大小. 在低端, 電流小于1a都

15、是不可取的,因為在高溫時電路的泄漏將產(chǎn)生重大誤差. 高電流( I 5ma ) ,晶體管betas和飽和電壓將有會使誤差越來越大,因此. 最佳性能是充電電流的10a-1mA時獲得的 . 如果管腳 7和8是短路的，充電電流的大小由RA確定。R1 和R2 被顯示在詳細(xì)的概要。電容器數(shù)值應(yīng)該被選擇在取值最大的可能的范圍內(nèi)。 在完成電路的初步設(shè)計后，再對電路進(jìn)行仿真調(diào)試，目的是為了觀察和測量電路的性能指標(biāo)并調(diào)整部分元器件參數(shù)，從而達(dá)到設(shè)計指標(biāo)的要求。整體電路各元器件布局及電路仿真調(diào)試如圖3.1-3.4所示。 圖 3.1 基于ICL8038簡易信號發(fā)生器總電路原理圖三角波正弦波 方波 圖3.2 正弦波仿真

16、圖 圖3.3 矩形波仿真圖 圖3.4 三角波仿真圖 （二）元件清單焊接元件清單如表3.5所示表3.5元器件清單元件特征數(shù)量位置ICL8038CC 集成函數(shù)發(fā)生器DIP-141U14.7K碳膜電阻1/4W2R2、R320K碳膜電阻1/4W1R110 K碳膜電阻1/4W3R4、R5、R61 K繞線電位器1RP210 K繞線電位器1RP1100 K繞線電位器2RP3、RP40.1uF獨石電容2C1、C2IC管座DIP-141U1單芯電源線線徑0.15白色30CM12J1簡易信號發(fā)生器專用芯片實現(xiàn)四、電路的實物制作與調(diào)試（一） 焊接工藝 掌握焊接的基本的焊接工藝，不但要有焊料的基本知識，而且要了解基本

17、的焊接工具。常用的焊接工具除常用的內(nèi)熱式、外熱式的電烙鐵外，還有恒溫電烙鐵、吸錫電烙鐵、微型烙鐵、超聲波烙鐵和半自動送料焊槍等多種類型。電烙鐵的規(guī)格一般是用電功率表示，常有規(guī)格有25W、45W、75W和100W等。功率越大，烙鐵頭的溫度越高。電烙鐵的選擇依據(jù)表4.1。表4.1 電烙鐵選擇焊接對象及工作性質(zhì)烙鐵頭溫度（室溫、220V）選用烙鐵一般印刷電路板、安裝導(dǎo)線30040020W內(nèi)熱式、30W外熱式、恒溫式集成電路30040020W內(nèi)熱式、恒溫式焊片、電位器、2W8W電阻、大電解電容器、大功率管35045030W50W內(nèi)熱式、恒溫式、50W75W外熱式8W以上的電阻，2mm以上的導(dǎo)線匯流排、

18、金屬板等400550100W內(nèi)熱式、150W200W外熱式維修、調(diào)試一般電子產(chǎn)品500063030W外熱式、20W內(nèi)熱式、恒溫式、感應(yīng)式、兩用式 焊接集成電路、晶體管及受熱易損元器件，一般選用20W內(nèi)熱式或者25W外熱式電烙鐵。 焊接導(dǎo)線時應(yīng)選用45W75W外熱式電烙鐵或者50W內(nèi)熱式電烙鐵。 焊接較大的元器件，如行輸出變壓器的引腳、金屬底盤接地焊片等，應(yīng)選用100W以上的電烙鐵。（二）焊接技術(shù)首先，識別焊物的大小，準(zhǔn)備好電烙鐵、鑷子、剪刀、斜口鉗、尖嘴鉗、焊劑等焊接工具。焊前要將元器件引線刮凈，最好是先掛錫再焊。對被焊物表面的的氧化物、銹斑、油污、灰塵、雜質(zhì)等要清理干凈。使用焊劑時，必須根據(jù)

19、被焊件的面積大小和表面狀態(tài)適量施用。用量過少影響焊接質(zhì)量，用量過多時，焊劑殘渣將會腐蝕零件，并使線路板的絕緣性能變差。在焊接時，為使焊件達(dá)到適當(dāng)溫度，并使固體料焊料迅速熔化，產(chǎn)生潤濕，就要有足夠的熱量和溫度。如果溫度過低，焊錫流動性差，很容易凝固形成虛焊。如果錫焊溫度過高，將使焊錫流淌，焊點不易存錫，焊劑分解速度加快，使金屬表面加速氧化，并導(dǎo)致印刷電路板上的焊盤脫落。特別值得注意的是，當(dāng)然使天然松香助焊劑時，錫焊溫度過高，很容易氧化脫羧產(chǎn)生炭化，因此造成虛焊。錫焊的時間因被焊件的形狀、大小不同而有所差別，但總的原則是以被焊件所潤濕（焊料的擴(kuò)散范圍達(dá)到要求后）的情況而定，通常情況下，烙鐵頭與焊點接觸時間是以使焊點光亮、圓滑為適宜。如果焊點不亮并形成粗糙面，說明溫度不夠，時間太短，此時需要增加焊接溫度，只要將烙鐵頭繼續(xù)放在焊點上多停留些時間便可。電路實物圖如圖4.1所示。圖4.1 電路制作實物簡易信號發(fā)生器 五、電路系統(tǒng)測試及誤差分析 （一）測試儀器 示波器 如圖5.1所示，萬用表 如圖5.2所示。 圖5.2 萬用表 圖5.1 示波器（二）測試數(shù)據(jù) 波形的頻率測量結(jié)果 頻率/KHz 正弦波 預(yù)置 0.01 0.