函数信号发生器的设计与制作

Xuchang Electric V ocational College 毕业论文（设计）

题目：函数信号发生器的设计与制作

系部：电气工程系_

班级：12电气自动化技术

姓名：张广超

指导老师：郝琳

完成日期：2014/5/20

毕业论文内容摘要

目录

1引言 (3)

1.1研究背景与意义 (3)

1.2研究思路与主要内容 (3)

2 方案选择 (4)

2.1方案一 (4)

2.2方案二 (4)

3基本原理 (5)

4稳压电源 (6)

4.1直流稳压电源设计思路 (6)

4.2直流稳压电源原理 (6)

4.3集成三端稳压器 (7)

5系统工作原理与分析 (8)

5.1ICL8038芯片性能特点简介 (8)

5.2ICL8038的应用 (8)

5.3ICL8038原理简介 (8)

5.4电路分析 (9)

5.5ICL8038内部原理 (10)

5.6工作原理 (11)

5.7正弦函数信号的失真度调节 (11)

5.8ICL8038的典型应用 (12)

5.9输出驱动部分 (12)

结论 (14)

致谢 (15)

参考文献 (16)

附录 (17)

1引言

信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性与参数时，用作测试的信号源或激励源。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

1.1研究背景与意义

函数信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转线圈上加随时间线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波正弦波三角波以及锯齿波阶梯波等电压波形的电路或仪器。因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的函数信号发生器。函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如

ICL8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，可选择的方案多种多样，技术上是可行的[1]。

1.2研究思路与主要内容

本文主要以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术实验使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从几赫到几百千赫的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。基于ICL8038函数信号发生器主要电源供电、波形发生、输出驱动三大部分组成。电源供电部分：主要由集成三端稳压管LM7812和LM7912构成的±12V直流电压作为整个系统的供电。波形发生部分：主要由单片集成函数信号发生器ICL8038构成。通过改变接入电路的电阻或电容的大小，能够得到几赫到几百千赫不同频率的信号。输出驱动部分：主要由运放LF353构成。由于ICL8038的输出信号幅度较小，需要放大输出信号。ICL8038的输出信号经过运放LF353放大后能够得到输出幅度较大的信号[2]。

2 方案选择

2.1 方案一

由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有1000倍的频率覆盖系数，显然对于1000倍的频率变化会有积分时间dt的1000倍变化从而导致输出电压振幅的1000倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调[3]。

2.2 方案二

利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器。

8038集成函数发生器是一种多用途的波形发生器，可以用来产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，其振荡频率可通过外加的直流电压进行调节，所以是压控集成信号产生器。由于外接电容C的充、放电电流由两个电流源控制，所以电容C两端电压u c的变化与时间成线形关系，从而可以获得理想的三角波输出。8038电路中含有正弦波变换器，故可以直接将三角波变成正弦波输出。另外还可以将三角波通过触发器变成方波输出。该方案的特点是十分明显的：

（1）线性良好、稳定性好；

（2）频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；

（3）不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波形；

（4）三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。

综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。

3基本原理

ICL8038可同时输出方波、三角波及正弦波，使用时只需外接少量电阻、电容元件。RP5为方波输出占空比调节电阻，阻值为4.7kΩ，用来改变4、5脚电压，从而改变方波占空比。RP1、Rl和R2组成分压网络，RP1为频率调节电位器，该电位器使用优质多圈电位器，阻值为lOk，调节RP1，改变ICL8038的8脚输入电压，可改变输出波形的频率；C6～Cll为外接定时电容，改变开关S2的位置，可获得6个频段(0～20Hz、20Hz～200Hz、200Hz～2kHz、2kHz～20kHz、20kHz～200kHz、200kHz—1MHz)的输出信号；RP3、RP4为正弦波失真度调节电位器，为了减小正弦波的失真度，ICL8038采用两套微调网络RP3和RP4，分别微调1脚和12脚电位，使正弦波信号失真度最小。ICL8038的2脚输出正弦波，3脚输出三角波，9脚输出方波。其工作电路如图3-1所示。

图3-1信号发生器工作电路

4稳压电源

4.1直流稳压电源设计思路

（1）电网供电电压交流220V(有效值)50Hz，要获得低压直流输出，首先必须采用电源变压器将电网电压降低获得所需要交流电压。

（2）降压后的交流电压，通过整流电路变成单向直流电，但其幅度变化大（即脉动大）。

（3）脉动大的直流电压须经过滤波电路变成平滑，脉动小的直流电，即将交流成份滤掉，保留其直流成份。

（4）滤波后的直流电压，再通过稳压电路稳压，便可得到基本不受外界影响的稳定直流电压输出，供给负载R L。

4.2直流稳压电源原理

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成，见图4-1。

图4-1 直流稳压电源方框图

其中：

（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。B

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图4-2所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻R L，且方向是一致的[3]。电路的输出波形如图4-3所示。

图4-2整流原理图图4-3输出波形图

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均

电流等于输出电流的平均值的一半，即 。电路中的每只二极管承受的最大反向电

压为22U (U 2是变压器副边电压有效值)。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。

选择电容滤波电路后，直流输出电压：U o1=(1.1～1.2)U 2，直流输出电流： （I 2

是变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路[3]

。稳压电源电路见图4-4所示。

4-4稳压电路原理图

4.3集成三端稳压器

因为要求输出固定不变，所以选择三端固定式集成稳压器。固定式集成稳压器，常见的主要有LM7800系列和LM7900系列。LM7812稳压器输出固定的12V 正电压，LM7912稳压器输出固定的12V 负电压，最大输出电流max O I 为1.5A 。稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点[3]。LM7812系列和LM7912系列的引脚功能不同，管脚图如图4-5所示，典型电路如图4-6所示。

图4-5引脚图 图4-6典型电路

12

1

o f I I =()2~5.121I

I o

=

5系统工作原理与分析

5.1 ICL8038 芯片性能特点简介

具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃；具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出；正弦波输出具有低于1％的失真度；三角波输出具有0．1％高线性度；具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。

5.2 ICL8038的应用

ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形。

(1)ICL8038电源电压范围宽，采用单电源供电时，V+-GND的电压范围+10-+30V；采用双电源供电时，V+-V-的电压可在±5-±15V内选取。电源电流约15mA。

(2)振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是0.001Hz-300kHz，频率温漂仅50ppm/(1ppm=10-6)。

(3)输出波形的失真小。正弦波失真度＜5%，经过仔细调整后，失真度还可降低到0.5%。三角波的线性度高达0.1%。

(4)矩形波占空比的调节范围很宽，D=1%-99%，由此可获得窄脉冲、宽脉冲或方波。

(5)外围电路非常简单，易于制作。通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率，产生高质量的中、低频正弦波，矩形波（或方波，窄脉冲）,三角波（或锯齿波）等函数波形，其应用领域比普通单一波形的信号发生器更为广阔。此外8038还能实现FM调制，扫描输出

[4]。

5.3 ICL8038原理简介

ICL8038采用DIP－14封装，管脚如下图5-1所示。芯片内部包括两个恒流源,两个电压比较器，两个缓冲器，正弦波变换器，模拟开关，RS触发器。在构成函数波形发生器时，应将第7,8两脚短接。其工作原理如下：利用恒流源对外接电容进行充放电，产生三角波(或锯齿波)，经缓冲器I从第3脚输出，由触发器获得的方波（或锯形波），经缓冲器Ⅱ从第九脚输出。再利用正弦波变换器将三角波变换成正弦波，从第2脚输出。改变电容器的充放电时间，可实现三角波与锯齿波方波与矩形波的互相转换[4]。

图5-1 ICL8038管脚图

5.4 电路分析

由于ICL8038单片函数发生器有两种工作方式，即输出函数信号的频率调节电压可以由内部供给，也可以由外部供给。在初始阶段我们用以下几种由内部供给偏置电压调节的接线图对芯片进行测试，观察其特性，图5-2为基本接法，图5-3和图5-4图为可调节占空比接法。

图5-2基本接法图5-3可调占空比接法图5-4可调占空比接法

在以上应用中，由于第7脚频率调节电压偏置一定，所以函数信号的频率和占空比由RA、RB和C决定，其频率为F，周期T，t1为振荡电容充电时间，t2为放电时间。T＝t1＋t2f＝1／T 由于三角函数信号在电容充电时，电容电压上升到比较器规定输入电压的1／3倍，分得的时间为

t1=CV/I=(C+1/3?Vcc?R A)/(1/5?Vcc)=5/3RA?C

在电容放电时，电压降到比较器输入电压的1／3时，分得的时间为

t2＝CV／I＝(C＋1/3?VCC)/(2/5?VCCRB－1/5?VCC/RA)＝(3/5?RA＊RB?C)/(2RA－RB) f＝1／（t1＋t2）＝3／｛5RAC［1＋RB／（2RA－R）］｝

对图5-2中，如果RA＝RB，就可以获得占空比为50％的方波信号。其频率f＝3／（10RAC）针对以上电路失真无法调节的缺点，我们改进方案，实现正弦波正负失真的可调。见图5-5由于该芯片所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。下图为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在安装调试中，我们选用两只100K的多圈精密电位器，反复调节，达到了很好效果的方波占空比调节、正弦波和三角波的对称调节。[1]图5-5电路无法调节频率，图5-6电路采用如外部供给频率调节电压的方式实现频率的可调,通过10k 电位器，我们可以控制8端电压的调节范围2/3 Vcc到Vcc。

图5 -5失真和占空比可调图5-6失真、占空比、频率可调

5.5 ICL8038内部原理

ICL8038是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图5-7。在图5-7中，ICL80由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器等组成。电压比较器C1、C2的门限电压分别为2V R/3和V R/(V R=V CC+V EE)，电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压V C随时间线性上升，当V C上升到V C=2V R/3时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出端Q由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2>I1，因此电容C放电，V c随时间线性下降。当V c下降到v c≤V R/3时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，V c又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡，若I2=2I1，V c上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。因此，ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形。其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1

状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。[4]在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。

适当选择外部的电阻R A和R B和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。因此，对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下，可以循环调节，从最小到最大，任意选择调整，所以，只要调节电容器充放电时间不相等，就可获得锯齿波等函数信号。

正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。利用二极管的非线性特性，可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非线性网络是

由4级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，真度也越小，在本芯片中N＝4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达0.5左右。其精度效果相当满意。

图5-7 ICL8038内原理

5.6工作原理

当给函数发生器ICL8038接通电源时，电容C的电压上升，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的输出Q为低电平，Q非为高电平；使电子开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流时间的增长而线性上升。Uc的上升使RS触发器的R端从低电平跃变为高电平，但其输出不变，一直到Uc上升到1／3 VCC时，电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（Q非同时变为低电平），导致电子开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2－IS1＝I，因放电电流是恒流，所以，电容上电压Uc随时间的增长而线性下降。起初，Uc的下降虽然使RS触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直到Uc下降到1／3 VEE，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（Q非同时为高电平），使得电子开关S断开，电容C又开始充电。重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为对称三角波形，Q为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。通过以上分析可知，改变电容充电放电电流即改变RA，RB的数值，或改变电容C的数值，就改变了充放电时间，因此可改变其频率。ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，也可双电源供电，他们的值为±5～±15 V，我们取±15 V，频率的可调范围为0.1～250 kHz，输出矩形波的占空比可调范围为5％～90％[4]。

5.7 正弦函数信号的失真度调节

由于ICL8038片函数发生器所产生的正弦波是由三角波经非线性网络变换而获得。该芯片的第1脚和第12脚就是为调节输出正弦波失真度而设置的。图5-8为一个调节输出正弦波失真度的典型应用，其中第1脚调节振荡电容充电时间过程中的非线性逼近点，第12脚调节振荡电容在放电时间过程中的非线性逼近点，在实际应用中，两只100K的电位器应选择多圈精度电位器，反复调节，可以达到很好的效果[1]。

5.8 ICL8038的典型应用

IC8038的典型应用电路见图5-9。图中，R1、R2为定时电阻，均为可调式，阻值范围为1kΩ～1MΩ。调节能改变振荡频率以及矩形波的占空比。为定时电容，也影响振荡频率。R3用来调整正弦波的失真。由于第9脚为集电极开路输出，必须外接集电极负载电阻R4。

特别当R1=R2=R时，I2=2I，即t1=t2，D=50%，此时输出为对称的方波、三角波和正弦波。式子化简成:fo=0.3/RC

如果在把第4、5两脚短接，经过一只公用的定时电阻R接V+，振荡频率的计算公式:fo =0.15/R

图5-8正弦波失真度调节电路图5-9ICL8038典型应用电路

注意事项:

（1）用单电源供电时，三角波和正弦波的平均值等于V+ /2，而方波幅度为 V+。用双电源供电时，所有输出波形相对于地（GND）电平均是正负相称的。

（2）方波输出的电压幅度不受V+的限制，也可以把负载电阻R4改接其它电源电压E+上，但E+不得超过+30V[5]。

5.9输出驱动部分

由于ICL8038输出的信号幅度小，需要放大输出信号。输出驱动电路有RP2、R9-R14及LF353组成。LF353内部为双运放电路，LF353的总体电路设计还是比较简洁的，此类拓扑在目前的功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且用镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100Ω的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200Ω的电阻用来限制输出短路电流。如LF353管脚图5-10所示1、2、3脚和5、6、7脚各组成一个运放，改运放性能优良。ICL8038输出的波形电压经R9、R10、R11、R12组成的幅值微调电路后，送到LF353放大后输出，RP2为优质多圈电位器，阻值为10K,R12、R13及开关S4组成幅值衰减电路。另外，

图5-10 LF353管脚图 图5-11 LF353幅值衰减基本原理图

用发光二极管分别指示±12V 是否正常。幅值衰减原理如图5-11所示。，该图组成一个反相比例运算放大电路。电压放大倍数A U =U 0/U I ,改变R f 的大小,就能改变A U 的大小，从而达到幅值衰减的目的[6]。

结论

在本次课题设计中使用了ICL8038单片函数波形发生器，使我对ICL8038的工作原理有了本质的理解，掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单，调试方便，功能完备，可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高，系统输出频率范围较宽且经济实用，而且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。特别适合用于工控和电子实验室，当输出缓冲电路独立设置多路时，可同时多路输出三种信号，比较容易满足实验需要。

致谢

首先，我要感谢郝琳老师，从初期的毕业实习，到中期的论文选题、审题、框架构思、资料筹集，再到后期的论文写作及修正直至毕业论文的完成，郝琳老师都给予了我很大的帮助，在这过程中，无论是做学问还是做人，郝琳老师都使我受益匪浅。其次，我还要感谢所有的任课老师，在这几年的学习中，老师们不管是在课内还是在课外都传授了我许多的知识，许多做人的道理，这对于我今后的人生道路会有很大的影响。在此还要向评阅老师以及答辩委员会的各位老师致上最诚挚的谢意，最后还要感谢与我朝夕相处的同学，在论文的写作过程中，他们也给我的论文提供了很多建议。

由于笔者水平有限，时间仓促，不能对该课题进行更加深入的分析和阐述，疏漏与不足之处，恳请老师和同学们批评指正。

参考文献

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[5] 杜肤生.数字集成电路应用精粹.北京人民邮电出版社,2001(8):63.

[6] 陈大钦.电子技术基础实验.波形发生电路.高等教育出版社,2000(6):98.

附录

信号发生器仿真原理图

波形仿真效果图