用ICL8038设计函数波形发生器
系:电子工程系专业:应用电子技术届:07姓名:李先春
摘要
该系统采用ICL8038集成块作为核心器件制作函数信号发生器，制造成本低。适合学生学习电子技术测量。ICL8038是一款精密振荡集成电路，具有多种波形输出。仅通过个别外接元件就能产生0.001Hz ~ 30k Hz ~ 30k Hz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也可以由电流或电阻控制。此外，由于芯片具有调制信号输入，因此可用于低频信号的频率调制。
ICL8038，波形，原理图，常用连接
一.概述
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机中经常用到各种信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很容易地构造出各种信号波形发生器。与其他信号波形发生器相比，用集成电路实现的信号波形发生器在波形质量、幅度和频率稳定性方面都有了很大的提高。
二、方案论证和比较
2.1?系统功能分析
本设计的核心问题是信号控制，包括信号频率、信号类型和信号强度控制。在设计过程中，我们综合考虑了以下三种实施方案:
2.2?项目方法
方案一:采用传统的直接频率合成器。这种方法可以实现快速变频，相位噪声低，工作频率是所有方法中最高的。但是，由于使用了大量的倍频、分频、混频和滤波环节，直接频率合成器结构复杂、体积庞大、成本高，并且容易产生过多的杂散成分，难以达到较高的频谱纯度。
方案二:采用锁相环频率合成器。利用锁相环将压控振荡器的输出频率锁定在要求的频率上。这种频率合成器具有良好的窄带跟踪特性，能很好地选择所需的频率信号，抑制杂散成分，避免了量化滤波器，有利于集成化和小型化。但由于PLL本身是一个惰性环节，锁定时间长，所以变频时间长。而且模拟法合成的正弦波的幅度、频率等参数相信是很难控制的。
方案三:使用8038单片机电压控制函数发生器，8038可以同时产生正弦波、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0.001 Hz ~ 300 kHz。
三、系统的工作原理及分析
3.1和ICL8038的应用
ICL8038是一种精密的波形产生和压控振荡器，其基本特点是:可以同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波和脉冲波；可以改变外接电阻和电容，输出信号的频率范围可以是0.001hz ~ 300 kHz；正弦信号输出失真为65438±0%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比从2%到98%不等；外部电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比(不对称)；频率的温度稳定度(典型值)为120 * 10-6(ICL 8038 acjd)~ 250 * 10-6(ICL 8038 ccpd)；电源方面，单电源(V+):+10 ~+30V，双电源(+V) (V-): 5V ~ 15V。图1-2是引脚排列图，图1-2是功能框图。8038采用DIP-14PIN封装，引脚功能如表1-1所示。
3.2、ICL8038内部框图介绍
函数发生器ICL8038的电路结构如虚线框所示(图1-1)，由五部分组成。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，IS1=I和IS2 = 2I；两个电压比较器I和II的阈值电压分别为sum，其输入电压等于电容两端的电压uC，其输出电压分别控制rs触发器的S端和RS端；RS触发器的状态输出Q用于控制开关S实现电容C的充放电；充电电流Is1和Is2由外部电阻决定。当Is1=Is2时，输出三角波，否则为矩形波。两个缓冲放大器用于将波形产生电路与负载隔离，使得三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强负载能力；三角波转正弦波电路用于获得正弦波电压。
3.3、内部框图工作原理
★当函数发生器ICL8038开启时，电容C的电压为0 V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器I和II的输出电压较低。因此，RS触发器的输出q为0；
★断开开关S，电流源为1给电容充电，充电电流为
IS1=I
因为充电电流是恒定的，所以电容器上的电压uC随时间线性上升。
★当上升到VCC/3时，电压比较器II的输出为高电平。此时，当RS触发器的S=0时，Q sum保持不变。
★当上升到2VCC/3时，电压比较器I的输出电压跳变到高电平。此时，当RS触发器置位，Q=1时，开关S闭合，电容C开始放电。放电电流为IS2-IS1 = I，由于放电电流恒定，电容上的电压uC随时间线性下降。
起初，虽然uC的下降使得RS触发的S端从高电平跳到低电平，但其输出保持不变。
★直到uC下降到VCC/3，电压比较器II的输出电压跳到低电平。此时Q=0，使得开关S关断，电容C再次开始充电。重复上述过程，电路产生自激振荡。
因为充电电流等于放电电流，电容上的电压是三角波，Q和是方波，由缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波到正弦波电路输出正弦波电压。
结论:通过改变电容的充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出不会得到正弦波。
3.4、方案电路工作原理(见图1-7)
当外部电容C可以通过两个恒流源充放电时，电压比较器I和II的阈值分别为总电源电压(+Vcc和-VEE)的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可以通过外部电阻调整，但I2必须大于I1。当触发器输出为低电平时，恒流源I2关断，恒流源I1给C充电，其两端电压UC随时间线性上升。当达到电源电压的2/3时，电压比较器I的输出电压跳变，使得触发器的输出由低电平变为高电平，恒流源I2导通，因为I2 > I1(设I2=2I1)。当下降到电源电压的1/3时，电压比较器II的输出电压跳变，使触发器输出方波，方波信号通过反相缓冲器从9脚输出。C上的电压UC具有相同的上升和下降时间(三角波)，三角波信号通过电压跟随器从引脚3输出。将三角波转换成正弦波是通过一个非线性网络(正弦波转换器)实现的。在这个非线性网络中，当三角波的两端变成平滑的正弦波时，从两个管脚输出。
其中K1为输出频段选择开关，K2为输出信号选择开关，电位器W1为输出频率微调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3和W4调节正弦波的非线性失真。
图1-1
3.5.两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示。
图1-4
3.6、普通连接
如图(1-2)所示为ICL8038的管脚图，其中8管脚为调频(FM)电压输入端，电路的振荡频率与FM电压成正比。引脚7输出FM偏置电压，是引脚7与电源+VCC的差值，可以作为引脚8的输入电压。
如图(1-5)所示，ICL8038常见的基本连接有两种。矩形波输出为集电极开路形式，需要外部电阻R1至+VCC。在图(a)所示的电路中，RA和RB可以独立调节。在图(b)所示的电路中，RA和RB的值通过改变电位计RW的滑动位置来调整。
图1-5
当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50%，所以是方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2的输出也不再是正弦波。图(b)显示了矩形波占空比为15%时各输出端的波形图。根据ICL8038的内部电路和外部电阻，可以推导出占空比的表达式如下
因此，ra < 2RB .
为了进一步减小正弦波的失真，可以采用如图(1-6)所示的电路。电阻器20K和电位计RW2用于确定8个引脚的DC电压V8，通常V8≥2/3Vcc。V8越高，Ia和Ib越小，输出频率越低，反之亦然。RW2的可调频率范围是20赫兹和20千赫。V8也可以由7个管脚提供固定电位，此时输出频率f0只由Ra、Rb和10管脚的电容决定。当Vcc由两对电源供电时，输出波形的DC电平为零，当它由一对电源供电时，输出波形的DC电平为Vcc/2。由两个100kω的电位器和两个10kω的电阻组成的电路，通过调节它们可以将正弦波失真降低到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可以使电路的最大和最小振荡频率之比达到100:1。输入电压直接加在8脚和6脚之间来调节振荡频率，最高频率和最低频率之差可以达到1000:1。
3.7、实际线路分析
可以在输出端添加一个LF35双通道运算放大器，用于波形放大和阻抗转换。根据所选的电路元件，该电路的输出频率范围约为10 Hz ~ 20 Hz。调幅范围:正弦波0 ~ 12V，三角波0 ~ 20V，方波0 ~ 24V。为了获得更高的频率，还可以改变第三个电容的值。
图1-6
表1-1 ISL8038引脚功能
管脚符号的工作能量
1，12 SINADJ1，SINADJ2正弦波形调整结束。通常SINADJ1开路或与DC电压连接。
SINADJ2与电阻REXT至V-相连，以改善正弦波形，减少失真。
2 SINOUT正弦波输出
3路输出三角波输出
4，5 dfadj1，DFADJ2输出信号重复频率和占空比(或波形不对称)调整结束。一般来说，DFADJ1端接电阻ra至V+，DFADJ2端接电阻RB至V+。改变电阻可以调整频率和占空比。
6 V+正电源
7 FMBIAS调频操作的直流偏置电压
8 FMIN FM电压输入端子
9 SQOUT方波输出
10 C外部电容接V端子，调节输出信号的频率和占空比。
11 V-负电源端子或接地
13，14数控空脚
第四，制作印刷电路板
首先按照图纸制作印刷电路板，注意不要有断线和短路。然后，根据原理图和印刷电路板的元件焊接元件。您可以根据自己的习惯并遵循合理的原则排列面板上的元件，尽量减少连接线的长度，并使变压器远离输出端子。然后接通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使其处于放大状态，满足振幅振荡的条件。仔细检查反馈条件，使其满足正反馈条件，从而满足相位启动条件。
生产完成后，要进行整机调试。首先测量供电支路的电压，确保正确，然后插上integration express，安装连接线。可以用示波器观察波形的相应变化，幅度的大小和频率可以用示波器读出。
动词 （verb的缩写）系统测试和误差分析
5.1，测试仪器
双踪示波器YB4325(20MHz)，万用表。
5.2、测试数据
基本波形频率测量结果
频率/千赫
正弦波预置0.01.022 20 50 100
实测0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193。
方波预置0.01 0.02 2 20 50
测量值0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038
三角波预置0.01.021.220 100。
测量值为0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.05438+0。
5.3、误差分析及改进措施
正弦波失真。调节R100K电位器RW4可以将正弦波的失真度降低到1%。如果需要失真接近0.5%的正弦波，只需在引脚6和引脚11之间连接两个100K电位计。
输出方波是不对称的。通过改变RW3的阻值来调节频率和占空比，可以得到占空比为50%的方波。电位器RW3和外接电容C共同决定了输出波形的频率，调节RW3可以使波形对称。
没有振荡。10脚与11脚短接，断开即可。
波形失真可能是长电容引脚引起的信号干扰造成的，将引脚切短即可解决问题。也有可能是2030功率太高，波形失真，装个散热片就够了。
5.4、调试结果分析
输出正弦波不会使频率失真。由于后级运算放大器上升速率的限制，高频正弦波(F >；70KHz)产生失真。输出可步进0.2V，峰峰值可扩展至0 ~ 26 V..
图1-2
图1？七
不及物动词结论
通过本文的设计，对ICL8038的工作原理有了本质的了解，掌握了ICL8038的内部结构和工作原理，如引脚功能、工作波形等。用ICL8038制作的函数发生器电路简单，调试方便，功能齐全。正弦波、方波、三角波均可输出，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围宽，经济实用。
七。参考
1谢电子电路设计、实验与测试(第3版)武汉:华中科技大学出版社。2000年7月
2杨邦文著《新型集成器件的家用电路》北京:电子工业出版社，2002.8。
第二届全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛作品选登。北京:北京理工大学出版社，1997。
4李延青的毕业论文写作与范例》厦门:厦门大学出版社。2006.10
5谭伯学，苗，集成电路原理与应用，北京:电子工业出版社。2003.9
6陈子诚，家用电子电路设计与调试，北京:中国电力出版社。2006