函數信號發生器設計

A. 設計一個函數信號發生器~要求輸出波形為正弦波，方波，三角波，頻率1KHZ，幅值1v。

1、正弦波發生器

B. 設計一個函數信號發生器~要求輸出波形為正弦波，方波，三角波，頻率1KHZ，幅值1v。

建議採用多波形發生器專用集成電路ICL8038，它可以同時輸出你要的各種波形。該IC可以雙電源工作。並且調頻方便。電路見圖。

C. 簡易函數信號發生器的設計與實現

參考答案 良心是每一個人最公平的審訊官，你騙得了別人，卻永遠騙不了你自己的良心。

D. 求函數信號發生器的設計方案

專業：應用電子技術 屆：07屆 姓名：李賢春
摘 要
本系統以ICL8038集成塊為核心器件，製作一種函數信號發生器，製作成本較低。適合學生學習電子技術測量使用。ICL8038是一種具有多種波形輸出的精密振盪集成電路，只需要個別的外部元件就能產生從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。另外由於該晶元具有調制信號輸入端，所以可以用來對低頻信號進行頻率調制。
關鍵詞 ICL8038，波形，原理圖，常用接法
一、概述
在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術領域，經常需要用到各種各樣的信號波形發生器。隨著集成電路的迅速發展，用集成電路可很方便地構成各種信號波形發生器。用集成電路實現的信號波形發生器與其它信號波形發生器相比，其波形質量、幅度和頻率穩定性等性能指標，都有了很大的提高。
二、方案論證與比較
2.1·系統功能分析
本設計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度的控制。在設計的過程中，我們綜合考慮了以下三種實現方案：
2.2·方案論證
方案一∶採用傳統的直接頻率合成器。這種方法能實現快速頻率變換，具有低相位雜訊以及所有方法中最高的工作頻率。但由於採用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環節，導致直接頻率合成器的結構復雜、體積龐大、成本高，而且容易產生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜純度。
方案二∶採用鎖相環式頻率合成器。利用鎖相環，將壓控振盪器（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，抑制雜散分量，並且避免了量的濾波器，有利於集成化和小型化。但由於鎖相環本身是一個惰性環節，鎖定時間較長，故頻率轉換時間較長。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數，如幅度、頻率 相信都很難控制。
方案三：採用8038單片壓控函數發生器，8038可同時產生正弦波、方波和三角波。改變8038的調制電壓，可以實現數控調節，其振盪范圍為0.001Hz～300KHz。
三、系統工作原理與分析
3.1、ICL8038的應用
ICL8038是精密波形產生與壓控振盪器，其基本特性為：可同時產生和輸出正弦波、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於0.1%；占空比變化范圍為2%～98%；外接電壓可以調制或控制輸出信號的頻率和占空比（不對稱度）；頻率的溫度穩定度（典型值）為120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；對於電源，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採用DIP-14PIN封裝，管腳功能如表1-1所示。
3.2、ICL8038內部框圖介紹
函數發生器ICL8038的電路結構如圖虛線框內所示（圖1-1），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 ，它們的輸入電壓等於電容兩端的電壓uC，輸出電壓分別控制RS觸發器的S端和 端；RS觸發器的狀態輸出端Q和 用來控制開關S，實現對電容C的充、放電；充點電流Is1、Is2的大小由外接電阻決定。當Is1=Is2時，輸出三角波，否則為矩尺波。兩個緩沖放大器用於隔離波形發生電路和負載，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於獲得正弦波電壓。
3.3、內部框圖工作原理
★當給函數發生器ICL8038合閘通電時，電容C的電壓為0V，根據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觸發器的 ，輸出Q=0， ；
★使開關S斷開，電流源IS1對電容充電，充電電流為
IS1=I
因充電電流是恆流，所以，電容上電壓uC隨時間的增長而線性上升。
★當上升為VCC/3時，電壓比較器Ⅱ輸出為高電平，此時RS觸發器的 ，S=0時，Q和 保持原狀態不變。
★一直到上升到2VCC/3時，使電壓比較器Ⅰ的輸出電壓躍變為高電平，此時RS觸發器的 時，Q=1時， ，導致開關S閉合，電容C開始放電，放電電流為IS2-IS1=I因放電電流是恆流，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觸發的S端從高電平躍變為低電平，但 ，其輸出不變。
★一直到uC下降到VCC/3時，使電壓比較器Ⅱ的輸出電壓躍變為低電平，此時 ，Q=0， ，使得開關S斷開

E. 設計和製作一函數信號發生器

基於ICL8038函數信號發生器的設計本設計是以ICL8038 和AT89C2051 為核心設計的數控及掃頻函數信號發生器。ICL8038 作為函數信號源
結合外圍電路產生占空比和幅度可調的正弦波、方波、三角波; 該函數信號發生器的頻率可調范圍為1~100kHz, 步進為0.1kHz, 波形穩定, 無明顯失真。
1.系統設計框圖如圖1 為系統設計框圖。本設計是利用鍵盤設置相應的頻率值, 根據所設置頻率段選擇相應電容, 經計算獲得相應數字量送數字電位器實現D/A 轉換, 同時與參考電壓( 本例為5.5V) 相加後形成數控調壓去控制ICL8038 第8 腳, 這樣即可由ICL8038 實現對應頻率值的矩形波、三角波和正弦波。方波幅度經衰減後送單片機可測得信號源頻率並由數碼管顯示。
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
碼顯示; P3.3、P3.5 、P3.7 作為鍵盤輸入口; P3.4 作為計數口, 用於測量信號源頻率;P3.0~P3.2 作為數字電位器的SPI匯流排; P1.1、P1.0 可根據需要擴展繼電器或模擬開關選擇ICL8038第10 腳( CAP) 與第11 腳間的電容C。
MCP41010 是8 位字長的數字電位器, 採用三匯流排SPI 介面。/CS: 片選信號, 低電平有效; SCK:時鍾信號輸入端; SI: 串列數據輸入端, 用於寄存器的選擇及數據輸入。MCP41010 可作為數字電位器, 也可以作為D/A 轉換器, 本設計是將MCP41010 接成8 位字長的D/A 轉換器, MCP41010 根據輸入的串列數據, 對基準電壓進行分壓後由中間抽頭輸出模擬電壓, 即VPWO =DN/256VREF ( 式中VREF=5V) 。
函數發生電路ICL8038, 圖2所示是一個占空比和一個頻率連續可調的函數發生電路。ICL8038是一種函數發生器集成塊, 通過外圍電路的設計, 可以產生高精密度的正弦波、方波、三角波信號, 選擇不同參數的外電阻和電容等器件, 可以獲得頻率在0.01Hz~300kHz 范圍內的信號。通過調節RW2 可使占空比在2%~98%可調。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 確定後, 調節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)輸出的波形經衰減後送單片機P3.4 進行頻率測量。
正弦函數信號由三角波函數信號經過非線性變換而獲得。利用二極體的非線性特性, 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 中的非線性網路是由4 級擊穿點的非線性逼近網路構成。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, 在本晶元中N= 4, 失真度可以小於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, 可採用圖2 所示電路中兩個電位器RW3 和RW4 所組成的電路, 調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
經實驗發現, 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鍵器件, 電容值的確定也就確定電路能產生的頻率范圍, 電容性能的好壞直接影響信號頻率的穩定性、波形的失真度, 由於該晶元是通過恆流源
對C 充放電來產生振盪的, 故振盪頻率的穩定性就受到外接電容及恆流源電流的影響, 若要使輸出頻率穩定, 必須採用以下措施:外接電阻、電容的溫度特性要好; 外部電源應穩定; 電容應選用漏電小、質量好的非極化電容器。3.實驗結果
當±12V 工作電源時, 輸出頻率如下表: 失真度情況, 實驗數據如下表: 4.軟體流程圖
圖3 為軟體流程圖。T0 設為計數器,T1 設為定時器(初值為5ms)。5ms 啟動主循環, 主要用於鍵盤掃描及掃描顯示, 圖2 中K0 作為控制鍵, K1 作為調整鍵, 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 軟體流程圖基於ICL8038的函數發生器函數發生器是一種可以同時產生方波、三角波和正弦波的專用集成電路。當調節外部電路參數時，還可以獲得占空比可調的矩形波和鋸齒波。因此，廣泛用於儀表之中。一、電路結構函數發生器ICL8038的電路結構如圖虛線框內所示，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 ，它們的輸入電壓等於電容兩端的電壓uC，輸出電壓分別控制RS觸發器的S端和 端；RS觸發器的狀態輸出端Q和 用來控制開關S，實現對電容C的充、放電；兩個緩沖放大器用於隔離波形發生電路和負載，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於獲得正弦波電壓。RS觸發器是數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★當給函數發生器ICL8038合閘通電時，電容C的電壓為0V，根據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觸發器的 ，輸出Q=0， ；★使開關S斷開，電流源IS1對電容充電，充電電流為IS1=I因充電電流是恆流，所以，電容上電壓uC隨時間的增長而線性上升。★當上升為VCC/3時，電壓比較器Ⅱ輸出為高電平，此時RS觸發器的 ，S=0時，Q和 保持原狀態不變。★一直到上升到2VCC/3時，使電壓比較器Ⅰ的輸出電壓躍變為高電平，此時RS觸發器的 時，Q=1時， ，導致開關S閉合，電容C開始放電，放電電流為IS2-IS1=I因放電電流是恆流，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觸發的S端從高電平躍變為低電平，但 ，其輸出不變。★ 一直到uC下降到VCC/3時，使電壓比較器Ⅱ的輸出電壓躍變為低電平，此時 ，Q=0， ，使得開關S斷開，電容C又開始充電，重復上述過程，周而復始，電路產生了自激振盪。由於充電電流與放電電流數值相等，因而電容上電壓為三角波，Q和 為方波，經緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。結論：改變電容充放電電流，可以輸出占空比可調的矩形波和鋸齒波。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是性能優良的集成函數發生器。可用單電源供電，即將引腳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。頻率的可調范圍為0.01Hz~300kHz。輸出矩形波的占空比可調范圍為2%~98%，上升時間為180ns，下降時間為40ns。輸出三角波（斜坡波）的非線性小於0.05%。輸出正弦波的失真小於1%。四、常用接法如圖所示為ICL8038的引腳圖，其中引腳8為頻率調節（簡稱為調頻）電壓輸入端，電路的振盪頻率與調頻電壓成正比。引腳7輸出調頻偏置電壓，數值是引腳7與電源+VCC之差，它可作為引腳8的輸入電壓。如圖所示為ICL8038最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可分別獨立調整。在圖(b)所示電路中，通過改變電位器RW滑動的位置來調整RA和RB的數值。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ICL8038內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，可採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，調整RW2可使電路振盪頻率最大值與最小值之比達到100:1。在引腳8與引腳6之間直接加輸入電壓調節振盪頻率，最高頻率與最低頻率之差可達1000:1。

F. 函數信號發生器實現方法通常有哪幾種

函數信號發生器，在模擬電子領域有很大的用途。總結起來，函數信號發內生器的實現方法容通常有以下幾種：
（1）用分立元件組成的函數發生器：通常是單函數發生器且頻率不高，其工作不很穩定，不易調試。
（2）可以由晶體管、運放IC等通用器件製作，更多的則是用專門的函數信號發生器IC產生。早期的函數信號發生器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，無法產生更高頻率的信號，調節方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節，二者互相影響。
（3）利用單片集成晶元的函數發生器：能產生多種波形，達到較高的頻率，且易於調試。鑒於此，美國美信公司開發了新一代函數信號發生器ICMAX038，它克服了（2）中晶元的缺點，可以達到更高的技術指標，是上述晶元望塵莫及的。MAX038頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數信號發生器IC。在鎖相環、壓控振盪器、頻率合成器、脈寬調制器等電路的設計上，MAX038都是優選的器件。
（4）利用專用直接數字合成DDS晶元的函數發生器：能產生任意波形並達到很高的頻率。但成本較高。

G. 函數信號發生器課程設計

方案三：用單片集成函數發生器5G8038

可行性分析：
上面三種方案中，方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要認為地搭建波形變換的電路圖。而方案三採用集成晶元使得電路大大簡化，但是由於實驗室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因為它是犧牲了成本來換取的方便。其次是對方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運放和三極體等電器原件，方案二是用的二極體、電阻、三極體、運放等電器原件，所以從簡單而且便於購買的前提出發我們選擇方案一為我們最終的設計方案。
1.4參數的確定
1、 從電路的設計過程來看電路分為三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分
2、 正弦波部分
由於我們選取差分放大電路對三角波——正弦波
進行變換，首先要完成的工作是選定三極體，我
們現在選擇KSP2222A型的三極體，其靜態曲線圖
像如右圖所示。

根據KSP2222A的靜態特性曲線，選取靜態
工作區的中心

由直流通路有：
20 k

k

因為靜態工作點已經確定，所以靜態電流變成已知。根據KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：
可得

3、 方波部分與三角波部分參數的確定
根據性能指標可知

由 ,可見f與c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C為10 。10Hz~100Hz,C為1 。
則 =7.5k ~75k ，則 =5.1k
則 =2.4k 或者 =69.9 k
∴ 取100 k
∵
由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v，有
=
∴ =10k
則 ≈47 k ， =20 k
根據方波的上升時間為兩毫秒，查詢運算放大器的速度，可以選擇74141型號的運放。
由此可得調整電阻：

七、實務圖的焊接和調試
1、按照方案一的電路圖焊接好電路板。
2、調試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.
（1）頻率范圍:
為便於測量,將電路板上的方波信號接入示波器,並合上C1=10