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  秋風速雨 2016-08-11 00:00:00

  基于ICL8038函數(shù)信號發(fā)生器的設計本設計是以ICL8038 和AT89C2051 為核心設計的數(shù)控及掃頻函數(shù)信號發(fā)生器。ICL8038 作為函數(shù)信號源 結(jié)合外圍電路產(chǎn)生占空比和幅度可調(diào)的正弦波、方波、三角波; 該函數(shù)信號發(fā)生器的頻率可調(diào)范圍為1~100kHz， 步進為0.1kHz， 波形穩(wěn)定， 無明顯失真。 1.系統(tǒng)設計框圖如圖1 為系統(tǒng)設計框圖。本設計是利用鍵盤設置相應的頻率值， 根據(jù)所設置頻率段選擇相應電容， 經(jīng)計算獲得相應數(shù)字量送數(shù)字電位器實現(xiàn)D/A 轉(zhuǎn)換， 同時與參考電壓( 本例為5.5V) 相加后形成數(shù)控調(diào)壓去控制ICL8038 第8 腳， 這樣即可由ICL8038 實現(xiàn)對應頻率值的矩形波、三角波和正弦波。方波幅度經(jīng)衰減后送單片機可測得信號源頻率并由數(shù)碼管顯示。 2.電路原理圖 圖2 為電路原理圖。其中AT89C2051 是8 位單片機， 其中: P1.4~P1.7、P1.2、P1.3、P3.0、P3.1 作為數(shù) 碼顯示; P3.3、P3.5 、P3.7 作為鍵盤輸入口; P3.4 作為計數(shù)口， 用于測量信號源頻率;P3.0~P3.2 作為數(shù)字電位器的SPI總線; P1.1、P1.0 可根據(jù)需要擴展繼電器或模擬開關(guān)選擇ICL8038第10 腳( CAP) 與第11 腳間的電容C。 MCP41010 是8 位字長的數(shù)字電位器， 采用三總線SPI 接口。/CS: 片選信號， 低電平有效; SCK:時鐘信號輸入端; SI: 串行數(shù)據(jù)輸入端， 用于寄存器的選擇及數(shù)據(jù)輸入。MCP41010 可作為數(shù)字電位器， 也可以作為D/A 轉(zhuǎn)換器， 本設計是將MCP41010 接成8 位字長的D/A 轉(zhuǎn)換器， MCP41010 根據(jù)輸入的串行數(shù)據(jù)， 對基準電壓進行分壓后由中間抽頭輸出模擬電壓， 即VPWO =DN/256VREF ( 式中VREF=5V) 。 函數(shù)發(fā)生電路ICL8038， 圖2所示是一個占空比和一個頻率連續(xù)可調(diào)的函數(shù)發(fā)生電路。ICL8038是一種函數(shù)發(fā)生器集成塊， 通過外圍電路的設計， 可以產(chǎn)生高精密度的正弦波、方波、三角波信號， 選擇不同參數(shù)的外電阻和電容等器件， 可以獲得頻率在0.01Hz~300kHz 范圍內(nèi)的信號。通過調(diào)節(jié)RW2 可使占空比在2%~98%可調(diào)。第10 腳( CAP) 與第11 腳間的電容C 起到很重要的作用， 它的大小決定了輸出信號頻率的大小， 當C 確定后， 調(diào)節(jié)ICL8038 第8 腳的電壓可改變信號源的輸出頻率。從ICL8038 引腳9(要接上拉電阻)輸出的波形經(jīng)衰減后送單片機P3.4 進行頻率測量。 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和下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038 中的非線性網(wǎng)絡是由4 級擊穿點的非線性逼近網(wǎng)絡構(gòu)成。一般說來， 逼近點越多得到的正弦波效果越好， 失真度也越小， 在本芯片中N= 4， 失真度可以小于1。在實測中得到正弦信號的失真度可達0.5 左右。其精度效果相當滿意。為了進一步減小正弦波的失真度， 可采用圖2 所示電路中兩個電位器RW3 和RW4 所組成的電路， 調(diào)整它們可使正弦波失真度減小。當然， 如果矩形波的占空比不是50% ， 矩形波不再是方波， 引腳2 輸出也就不再是正弦波了。 圖2 電路原理圖 經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)， 在電路設計中接10 腳和11 腳的電容值和性能是整個電路的關(guān)鍵器件， 電容值的確定也就確定電路能產(chǎn)生的頻率范圍， 電容性能的好壞直接影響信號頻率的穩(wěn)定性、波形的失真度， 由于該芯片是通過恒流源 對C 充放電來產(chǎn)生振蕩的， 故振蕩頻率的穩(wěn)定性就受到外接電容及恒流源電流的影響， 若要使輸出頻率穩(wěn)定， 必須采用以下措施:外接電阻、電容的溫度特性要好; 外部電源應穩(wěn)定; 電容應選用漏電小、質(zhì)量好的非極化電容器。3.實驗結(jié)果 當±12V 工作電源時， 輸出頻率如下表: 失真度情況， 實驗數(shù)據(jù)如下表: 4.軟件流程圖 圖3 為軟件流程圖。T0 設為計數(shù)器，T1 設為定時器(初值為5ms)。5ms 啟動主循環(huán)， 主要用于鍵盤掃描及掃描顯示， 圖2 中K0 作為控制鍵， K1 作為調(diào)整鍵， K2 作為增加鍵; 上電時程序進入頻率設置模式， 按一下K0 鍵程序進入數(shù)控模式， 按二下K0 鍵程序進入掃頻模式， 按三下K0 鍵程序進入頻率設置模式， 周而復始。在頻率設置模式， 由K1 鍵和K2 鍵完成頻率設置。 圖3 軟件流程圖基于ICL8038的函數(shù)發(fā)生器函數(shù)發(fā)生器是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。當調(diào)節(jié)外部電路參數(shù)時，還可以獲得占空比可調(diào)的矩形波和鋸齒波。因此，廣泛用于儀表之中。一、電路結(jié)構(gòu)函數(shù)發(fā)生器ICL8038的電路結(jié)構(gòu)如圖虛線框內(nèi)所示，共有五個組成部分。兩個電流源的電流分別為IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；兩個電壓比較器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，實現(xiàn)對電容C的充、放電；兩個緩沖放大器用于隔離波形發(fā)生電路和負載，使三角波和矩形波輸出端的輸出電阻足夠低，以增強帶負載能力；三角波變正弦波電路用于獲得正弦波電壓。RS觸發(fā)器是數(shù)字電路中具有存儲功能的一種基本單元電路。Q和 是一對互補的狀態(tài)輸出端，當Q=1時， ；當Q=0時， 。S和 是兩個輸入端，當 時，Q=0時， ；反之，當 時，Q=1時， ；當S=0， 時，Q和 保持原狀態(tài)不變。兩個電壓比較器的電壓傳輸特性如下圖所示。二、工作原理★當給函數(shù)發(fā)生器ICL8038合閘通電時，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隨時間的增長而線性上升?！锂斏仙秊閂CC/3時，電壓比較器Ⅱ輸出為高電平，此時RS觸發(fā)器的 ，S=0時，Q和 保持原狀態(tài)不變?！镆恢钡缴仙?VCC/3時，使電壓比較器Ⅰ的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖剑藭rRS觸發(fā)器的 時，Q=1時， ，導致開關(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，使電壓比較器Ⅱ的輸出電壓躍變?yōu)榈碗娖?，此時 ，Q=0， ，使得開關(guān)S斷開，電容C又開始充電，重復上述過程，周而復始，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，當輸出不是方波時，輸出也得不到正弦波了。三、性能特點ICL8038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器?？捎脝坞娫垂╇姡磳⒁_11接地，引腳6接+VCC，VCC為10~30V；也可雙電源供電，即將引腳11接-VEE，引腳6接+VCC，它們的值為±5~±15V。頻率的可調(diào)范圍為0.01Hz~300kHz。輸出矩形波的占空比可調(diào)范圍為2%~98%，上升時間為180ns，下降時間為40ns。輸出三角波（斜坡波）的非線性小于0.05%。輸出正弦波的失真小于1%。四、常用接法如圖所示為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可分別獨立調(diào)整。在圖(b)所示電路中，通過改變電位器RW滑動的位置來調(diào)整RA和RB的數(shù)值。當RA=RB時，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RA≠RB時，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出占空比的表達式為故RA<2RB。 為了進一步減小正弦波的失真度，可采用如下圖所示電路中兩個100kΩ的電位器和兩個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1000:1。

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