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  打工高平人 2008-06-20 00:00:00

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  dalong2780 2008-06-18 00:00:00

  函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作 系別：電子工程系 專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù) 屆：07屆 姓名：李賢春 摘 要 本系統(tǒng)以ICL8038集成塊為核心器件，制作一種函數(shù)信號發(fā)生器，制作成本較低。適合學(xué)生學(xué)習(xí)電子技術(shù)測量使用。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振蕩集成電路，只需要個(gè)別的外部元件就能產(chǎn)生從0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號。輸出波形的頻率和占空比還可以由電流或電阻控制。另外由于該芯片具有調(diào)制信號輸入端，所以可以用來對低頻信號進(jìn)行頻率調(diào)制。 關(guān)鍵詞 ICL8038，波形，原理圖，常用接法 一、概述 在電子工程、通信工程、自動(dòng)控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)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)，都有了很大的提高。 二、方案論證與比較 2.1·系統(tǒng)功能分析 本設(shè)計(jì)的核心問題是信號的控制問題，其中包括信號頻率、信號種類以及信號強(qiáng)度的控制。在設(shè)計(jì)的過程中，我們綜合考慮了以下三種實(shí)現(xiàn)方案： 2.2·方案論證 方案一∶采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器。這種方法能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中Z高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。 方案二∶采用鎖相環(huán)式頻率合成器。利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需要頻率上。這種頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需要頻率信號，YZ雜散分量，并且避免了量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié)，鎖定時(shí)間較長，故頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率 相信都很難控制。 方案三：采用8038單片壓控函數(shù)發(fā)生器，8038可同時(shí)產(chǎn)生正弦波、方波和三角波。改變8038的調(diào)制電壓，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控調(diào)節(jié)，其振蕩范圍為0.001Hz～300KHz。 三、系統(tǒng)工作原理與分析 3.1、ICL8038的應(yīng)用 ICL8038是精密波形產(chǎn)生與壓控振蕩器，其基本特性為：可同時(shí)產(chǎn)生和輸出正弦波、三角波、鋸齒波、方波與脈沖波等波形；改變外接電阻、電容值可改變，輸出信號的頻率范圍可為0.001Hz～300KHz；正弦信號輸出失真度為1%；三角波輸出的線性度小于0.1%；占空比變化范圍為2%～98%；外接電壓可以調(diào)制或控制輸出信號的頻率和占空比（不對稱度）；頻率的溫度穩(wěn)定度（典型值）為120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；對于電源，單電源（V+）：+10～+30V，雙電源（+V）（V-）：±5V～±15V。圖1-2是管腳排列圖，圖1-2是功能框圖。8038采用DIP-14PIN封裝，管腳功能如表1-1所示。 3.2、ICL8038內(nèi)部框圖介紹 函數(shù)發(fā)生器ICL8038的電路結(jié)構(gòu)如圖虛線框內(nèi)所示（圖1-1），共有五個(gè)組成部分。兩個(gè)電流源的電流分別為IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；兩個(gè)電壓比較器Ⅰ和Ⅱ的閾值電壓分別為 和 ，它們的輸入電壓等于電容兩端的電壓uC，輸出電壓分別控制RS觸發(fā)器的S端和 端；RS觸發(fā)器的狀態(tài)輸出端Q和 用來控制開關(guān)S，實(shí)現(xiàn)對電容C的充、放電；充點(diǎn)電流Is1、Is2的大小由外接電阻決定。當(dāng)Is1=Is2時(shí)，輸出三角波，否則為矩尺波。兩個(gè)緩沖放大器用于隔離波形發(fā)生電路和負(fù)載，使三角波和矩形波輸出端的輸出電阻足夠低，以增強(qiáng)帶負(fù)載能力；三角波變正弦波電路用于獲得正弦波電壓。 3.3、內(nèi)部框圖工作原理 ★當(dāng)給函數(shù)發(fā)生器ICL8038合閘通電時(shí)，電容C的電壓為0V，根據(jù)電壓比較器的電壓傳輸特性，電壓比較器Ⅰ和Ⅱ的輸出電壓均為低電平；因而RS觸發(fā)器的 ，輸出Q=0， ； ★使開關(guān)S斷開，電流源IS1對電容充電，充電電流為 IS1=I 因充電電流是恒流，所以，電容上電壓uC隨時(shí)間的增長而線性上升。 ★當(dāng)上升為VCC/3時(shí)，電壓比較器Ⅱ輸出為高電平，此時(shí)RS觸發(fā)器的 ，S=0時(shí)，Q和 保持原狀態(tài)不變。 ★一直到上升到2VCC/3時(shí)，使電壓比較器Ⅰ的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖剑藭r(shí)RS觸發(fā)器的 時(shí)，Q=1時(shí)， ，導(dǎo)致開關(guān)S閉合，電容C開始放電，放電電流為IS2-IS1=I因放電電流是恒流，所以，電容上電壓uC隨時(shí)間的增長而線性下降。 起初，uC的下降雖然使RS觸發(fā)的S端從高電平躍變?yōu)榈碗娖?，?，其輸出不變。 ★一直到uC下降到VCC/3時(shí)，使電壓比較器Ⅱ的輸出電壓躍變?yōu)榈碗娖?，此時(shí) ，Q=0， ，使得開關(guān)S斷開，電容C又開始充電，重復(fù)上述過程，周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。 由于充電電流與放電電流數(shù)值相等，因而電容上電壓為三角波，Q和 為方波，經(jīng)緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。 結(jié)論：改變電容充放電電流，可以輸出占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。但是，當(dāng)輸出不是方波時(shí)，輸出也得不到正弦波了。 3.4、方案電路工作原理（見圖1-7） 當(dāng)外接電容C可由兩個(gè)恒流源充電和放電，電壓比較器Ⅰ、Ⅱ的閥值分別為總電源電壓（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通過外接電阻調(diào)節(jié)，但必須I2＞I1。當(dāng)觸發(fā)器的輸出為低電平時(shí)，恒流源I2斷開，恒流源I1給C充電，它的兩端電壓UC隨時(shí)間線性上升，當(dāng)達(dá)到電源電壓的確2/3時(shí)，電壓比較器I的輸出電壓發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出由低電平變?yōu)楦唠娖?，恒流源I2接通，由于I2＞I1（設(shè) I2=2I1），I2將加到C上進(jìn)行反充電，相當(dāng)于C由一個(gè)凈電流I放電，C兩端的電壓UC又轉(zhuǎn)為直線下降。當(dāng)它下降到電源電壓的1/3時(shí)，電壓比較器Ⅱ輸出電壓便發(fā)生跳變，使觸發(fā)器輸出為方波，經(jīng)反相緩沖器由引腳9輸出方波信號。C上的電壓UC，上升與下降時(shí)間相等（呈三角形），經(jīng)電壓跟隨器從引腳3輸出三角波信號。將三角波變?yōu)檎也ㄊ墙?jīng)過一個(gè)非線性網(wǎng)絡(luò)（正弦波變換器）而得以實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)非線性網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)三角波的兩端變?yōu)槠交恼也?，?腳輸出。 其中K1為輸出頻段選擇波段開關(guān)，K2為輸出信號選擇開關(guān)，電位器W1為輸出頻率細(xì)調(diào)電位器，電位器W2調(diào)節(jié)方波占空比，電位器W3、W4調(diào)節(jié)正弦波的非線性失真。 圖1-1 3.5、兩個(gè)電壓比較器的電壓傳輸特性如圖1-4所示。 圖1-4 3.6、常用接法 如圖（1-2）所示為ICL8038的引腳圖，其中引腳8為頻率調(diào)節(jié)（簡稱為調(diào)頻）電壓輸入端，電路的振蕩頻率與調(diào)頻電壓成正比。引腳7輸出調(diào)頻偏置電壓，數(shù)值是引腳7與電源+VCC之差，它可作為引腳8的輸入電壓。 如圖（1-5）所示為ICL8038Z常見的兩種基本接法，矩形波輸出端為集電極開路形式，需外接電阻RL至+VCC。在圖(a)所示電路中，RA和RB可分別獨(dú)立調(diào)整。在圖(b)所示電路中，通過改變電位器RW滑動(dòng)的位置來調(diào)整RA和RB的數(shù)值。 圖1-5 當(dāng)RA=RB時(shí)，各輸出端的波形如下圖(a)所示，矩形波的占空比為50％，因而為方波。當(dāng)RA≠RB時(shí)，矩形波不再是方波，引腳2輸出也就不再是正弦波了，圖(b)所示為矩形波占空比是15%時(shí)各輸出端的波形圖。根據(jù)ICL8038內(nèi)部電路和外接電阻可以推導(dǎo)出占空比的表達(dá)式為 故RA<2RB。 為了進(jìn)一步減小正弦波的失真度，可采用如圖（1-6）所示電路，電阻20K與電位器RW2用來確定8腳的直流電壓V8，通常取V8≥2/3Vcc。V8越高，Ia、Ib越小，輸出頻率越低，反之亦然。RW2可調(diào)節(jié)的頻率范圍為20HZ20~KHZ。V8還可以由7腳提供固定電位，此時(shí)輸出頻率f0僅有Ra、Rb及10腳電容決定，Vcc采用雙對電源供電時(shí)，輸出波形的直流電平為零，采用單對電源供電時(shí)，輸出波形的直流電平為Vcc/2。兩個(gè)100kΩ的電位器和兩個(gè)10kΩ電阻所組成的電路，調(diào)整它們可使正弦波失真度減小到0.5%。在RA和RB不變的情況下，調(diào)整RW2可使電路振蕩頻率Z大值與Z小值之比達(dá)到100:1。在引腳8與引腳6之間直接加輸入電壓調(diào)節(jié)振蕩頻率，Z高頻率與Z低頻率之差可達(dá)1000:1。 3.7、實(shí)際線路分析 可在輸出增加一塊LF35雙運(yùn)放，作為波形放大與阻抗變換，根據(jù)所選擇的電路元器件值，本電路的輸出頻率范圍約10HZ～20KHZ；幅度調(diào)節(jié)范圍：正弦波為0～12V，三角波為0～20V，方波為0～24V。若要得到更高的頻率，還可改變?nèi)龣n電容的值。 圖1-6 表 1-1 ISL8038管腳功能 管 腳 符 號 功 能 1，12 SINADJ1，SINADJ2 正弦波波形調(diào)整端。通常SINADJ1開路或接直流電壓， SINADJ2接電阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和減小失真。 2 SINOUT 正弦波輸出 3 TRIOUT 三角波輸出 4，5 DFADJ1，DFADJ2 輸出信號重復(fù)頻率和占空比（或波形不對稱度）調(diào)節(jié)端。通常DFADJ1端接電阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改變阻值可調(diào)節(jié)頻率和占空比。 6 V+ 正電源 7 FMBIAS 調(diào)頻工作的直流偏置電壓 8 FMIN 調(diào)頻電壓輸入端 9 SQOUT 方波輸出 10 C 外接電容到V-端，用以調(diào)節(jié)輸出信號的頻率與占空比 11 V- 負(fù)電源端或地 13，14 NC 空腳 四、制作印刷電路板 首先，按圖制作印刷電路板，注意不能有斷線和短接，然后，對照原理圖和印刷電路板的元件而進(jìn)行元件的焊接?？筛鶕?jù)自己的習(xí)慣并遵循合理的原則，將面板上的元器件安排好，盡量使連接線長度減少，變壓器遠(yuǎn)離輸出端。再通電源進(jìn)行調(diào)試，調(diào)整分立元件振蕩電路放大元件的工作點(diǎn)，使之處于放大狀態(tài)，并滿足振幅起振條件。仔細(xì)檢查反饋條件，使之滿足正反饋條件，從而滿足相位起振條件。 制作完成后，應(yīng)對整機(jī)進(jìn)行調(diào)試。先測量電源支流電壓，確保無誤后，插上集成快，裝好連接線?？梢杂檬静ㄆ饔^察波形發(fā)出的相應(yīng)變化，幅度的大小和頻率可以通過示波器讀出 。 五、系統(tǒng)測試及誤差分析 5.1、測試儀器 雙蹤示波器 YB4325(20MHz)、萬用表。 5.2、測試數(shù)據(jù) 基本波形的頻率測量結(jié)果 頻率/KHz 正弦波 預(yù)置 0.01 0.02 2 20 50 100 實(shí)測 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193 方波 預(yù)置 0.01 0.02 2 20 50 實(shí)測 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038 三角波 預(yù)置 0.01 0.02 1 2 20 100 實(shí)測 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191 5.3、誤差分析及改善措施 正弦波失真。調(diào)節(jié)R100K電位器RW4，可以將正弦波的失真減小到1%，若要求獲得接近0.5%失真度的正弦波時(shí)，在6腳和11腳之間接兩個(gè)100K電位器就可以了。 輸出方波不對稱，改變RW3阻值來調(diào)節(jié)頻率與占空比，可獲得占空比為50%的方波，電位器RW3與外接電容C一起決定了輸出波形的頻率，調(diào)節(jié)RW3可使波形對稱。 沒有振蕩。是10腳與11腳短接了，斷開就可以了 產(chǎn)生波形失真，有可能是電容管腳太長引起信號干擾，把管腳剪短就可以解決此問題。也有可能是因?yàn)?030功率太大發(fā)熱導(dǎo)致波形失真，加裝上散熱片就可以了。 5.4、調(diào)試結(jié)果分析 輸出正弦波不失真頻率。由于后級運(yùn)放上升速率的限制，高頻正弦波（f>70KHz）產(chǎn)生失真。輸出可實(shí)現(xiàn)0.2V步進(jìn)，峰-峰值擴(kuò)展至0～26V。 圖1-2 圖 1−7 六、結(jié)論 通過本篇論文的設(shè)計(jì)，使我們對ICL8038的工作原理有了本質(zhì)的理解，掌握了ICL8038的引腳功能、工作波形等內(nèi)部構(gòu)造及其工作原理。利用ICL8038制作出來的函數(shù)發(fā)生器具有線路簡單，調(diào)試方便，功能完備?？奢敵稣也?、方波、三角波，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)實(shí)用。 七、參考文獻(xiàn) 【1】謝自美《電子線路設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn).測試（第三版）》武漢：華中科技大學(xué)出版社。2000年7月 【2】楊幫文《新型集成器件家用電路》北京：電子工業(yè)出版社，2002.8 【3】第二屆全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽組委會。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽獲獎(jiǎng)作品選編。北京：北京理工大學(xué)出版社，1997. 【4】李炎清《畢業(yè)論文寫作與范例》廈門：廈門大學(xué)出版社。2006.10 【5】潭博學(xué)、苗江靜《集成電路原理及應(yīng)用》北京：電子工業(yè)出版社。2003.9 【6】陳梓城《家用電子電路設(shè)計(jì)與調(diào)試》北京：ZG電力出版社。2006

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  小布阿TvT 2008-06-18 00:00:00

  信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。函數(shù)信號發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種： （1）用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。 （2）可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。 （3）利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試。鑒于此，美國馬克西姆公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號發(fā)生器ICMAX038，它克服了（2）中芯片的缺點(diǎn)，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，是上述芯片望塵莫及的。MAX038頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器IC。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計(jì)上，MAX038都是優(yōu)選的器件。 （4）利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。但成本較高。 設(shè)計(jì)指標(biāo)：1.輸出為方波和三角波兩種波形，用開關(guān)切換輸出； 2.均為雙極性； 3.輸出阻抗均為50Ω； 4.輸出為方波時(shí)，輸出電壓峰值為0～5V可調(diào)，輸出信號頻率為200Hz～2kHz可調(diào)； 5.輸出為三角波時(shí)，輸出電壓峰值為0～5V可調(diào)，輸出信號頻率為200Hz～2kHz可調(diào) 本項(xiàng)目都切實(shí)用到了所學(xué)知識，數(shù)控電源部分采用數(shù)電中的DAC0808數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及計(jì)數(shù)器74LS193構(gòu)成。信號發(fā)生部分全部應(yīng)用模電知識制作，采用性能優(yōu)良的集成信號發(fā)生芯片ICL8038結(jié)合運(yùn)放電路制成。頻率測試部分，用555構(gòu)成秒脈沖，通過40110來實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)譯碼顯示。此次制作真正達(dá)到了學(xué)以至用，理論聯(lián)系實(shí)際的目的。符合理工科學(xué)生學(xué)習(xí)的要求。 當(dāng)然本次實(shí)驗(yàn)參閱了除課程以外的大量參考書籍，通過多種方案論證，Z終確立的此課題。由于時(shí)間緊，項(xiàng)目大，雖然在規(guī)定的時(shí)間完成任務(wù)，經(jīng)過多次的修改，但仍然存在不足之處，望專家組批評指正。

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