信号纸

函数信号发生器的设计与制作

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.方案演示

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),* * *有五个组成部分。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