基于ICL8038的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、目 錄1技術(shù)指標(biāo)12設(shè)計(jì)方案及其比較12.1方案一12.2方案二32.3方案比較43實(shí)現(xiàn)方案54調(diào)試過程及結(jié)論65心得體會166參考文獻(xiàn)17武漢理工大學(xué)電子綜合實(shí)訓(xùn)說明書基于ICL8038的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)1技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試信號發(fā)生器電路，使它能輸出正弦波、方波和三角波；其頻率在20-20kHz范圍內(nèi)可調(diào)；輸出電壓：方波Up-p4V，三角波Up-p=6V，正弦波Up-p=1V。2設(shè)計(jì)方案及其比較2.1方案一分采用立器件實(shí)現(xiàn)電路組成，主要部件有電壓遲滯比較器、積分運(yùn)算電路、uA741運(yùn)算放大器、選擇開關(guān)、電位器和一些電容、電阻、二極管組成。該方案有三級單元電路組成的，第一級單元可以產(chǎn)生方

2、波，第二級可以產(chǎn)生三角波，第三級可以產(chǎn)生頻率可變的正弦波，產(chǎn)生頻率可變的正弦波比產(chǎn)生頻率可變的方波更困難，第三級電路能將正向和負(fù)向的三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。電路原理圖如圖1所示：圖1 電路原理圖工作原理：通過遲滯比較器產(chǎn)生方波，再通過積分器產(chǎn)生三角波，正弦波產(chǎn)生電路實(shí)際上是一個(gè)增益與輸出電壓幅度成反比例變化的放大器。兩個(gè)10k歐的電位器RP4和RP5設(shè)定了輸出電壓過零點(diǎn)附近的斜率。當(dāng)輸出電壓增加時(shí)，RP4應(yīng)調(diào)整到二極管VD3VD6開始正偏。為了得到正弦波平滑變化的頂部，電位器RP3應(yīng)細(xì)心調(diào)節(jié)，并仔細(xì)選配二極管VD1和VD2.用雙蹤示波器來觀察輸入和輸出，仔細(xì)調(diào)節(jié)RP3、RP4和RP5，可使正弦波調(diào)

3、節(jié)到最佳狀態(tài)。計(jì)算公式：(1)當(dāng)U1與U2分開時(shí)，U1、R1、R2、R3、RP1組成電壓比較器，運(yùn)放U2與R4、RP2、C1與R5組成方向積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出電壓Uo2為：當(dāng)Uo1=+Vcc=+12V時(shí)當(dāng)Uo1=-VEE=-12V時(shí)（2） 若比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)回路，則自動產(chǎn)生方波三角波。三角波幅度為：方波-三角波頻率為：仿真波形如圖2所示：圖2 方案一仿真波形信號頻率在20Hz20kHz可調(diào)。2.2方案二基于NE555的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)，電路原理圖如圖3所示：圖3 NE555函數(shù)信號發(fā)生器原理圖工作原理：555定時(shí)器接成多諧振蕩器工作形式，C2為定時(shí)電容，

4、C2的充電回路是R2R1RPC2；C2的放電回路是C2RPR1IC的7腳(放電管)。由于R1+RP>>R2，所以充電時(shí)間常數(shù)與放電時(shí)間常數(shù)近似相等，由IC的3腳輸出的是近似對稱方波。按圖所示元件參數(shù)，調(diào)節(jié)電位器RP可改變振蕩器的頻率。方波信號經(jīng)R3、C5積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三角波再經(jīng)R4、C6、R5、C7積分網(wǎng)絡(luò)，輸出近似的正弦波。C1是電源濾波電容。NE555的主要特點(diǎn)：1.只需簡單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。2.它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯電路配合，也就是它的輸出電平及輸入觸發(fā)電平，均能與這些系列

5、邏輯電路的高、低電平匹配。3.其輸出端的供給電流大，可直接推動多種自動控制的負(fù)載。4.它的計(jì)時(shí)精確度高、溫度穩(wěn)定度佳，且價(jià)格便宜。仿真波形如圖4所示：圖4 方案二仿真波形信號頻率在20Hz20kHz可調(diào)。2.3方案比較方案一的優(yōu)點(diǎn)是：線性良好、穩(wěn)定性好；頻率易調(diào)，在幾個(gè)數(shù)量級的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地連續(xù)地改變頻率，而且頻率改變時(shí)，幅度恒定不變；不存在如文氏電橋那樣的過渡過程，接通電源后會立即產(chǎn)生穩(wěn)定的波形；三角波和方波在半周期內(nèi)是時(shí)間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。但器件較多，較分散不易集成，方案二電路比較簡單，費(fèi)用便宜，但是波形不理想；所以選擇基于ICL8038設(shè)計(jì)方案更合理，電路結(jié)構(gòu)也相對簡

6、單，易于實(shí)現(xiàn)。3實(shí)現(xiàn)方案基于ICL8038的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)，電路原理圖如圖5所示：圖5 ICL8038函數(shù)信號發(fā)生器原理圖工作原理及參數(shù)計(jì)算：為了使振蕩信號獲得最佳的特性，流過ICL8038集成電路的4號腳和5號腳的電流不能過大或過小。若電流過大，會使三角波的線性變壞，從而會導(dǎo)致正弦波失真度增大；若過小則電容的漏電流影響變大。最佳電流為1A1mA。電阻R滿足下列關(guān)系：若選擇Vcc=12V,則電阻R最佳的變化范圍為1.2k1200k。因?yàn)?，取C1=4700pF，當(dāng)時(shí)，(k)，取?，F(xiàn)選擇一電位器RP1與R1相串聯(lián)，取RP1=56k。當(dāng)電位器RP1+R1最大時(shí)，振蕩頻率?？梢姴粷M足設(shè)計(jì)任務(wù)書最低頻率

7、的要求。為此要再增加一組振蕩電容C2。取C2=0.15F。當(dāng)調(diào)節(jié)RP1=0時(shí)，。所以當(dāng)轉(zhuǎn)換開關(guān)K接入不同電容時(shí)，調(diào)節(jié)電位器RP1，輸出振蕩頻率分別為17Hz666Hz和555Hz21kHz。為了提高信號源的帶負(fù)載能力，可使三角波、正弦波信號經(jīng)由LM318高速運(yùn)算放大器放大后輸出。調(diào)節(jié)RP3、RP4，可調(diào)節(jié)信號輸出幅度。測試電路布線圖如圖6所示：圖6 測試電路的布線圖4調(diào)試過程及結(jié)論由于實(shí)際制作時(shí)給出的元件有限，我們在制作時(shí)對電路圖進(jìn)行了修改，實(shí)際電路原理圖如圖7所示：圖7 實(shí)際制作時(shí)的ICL8038電路原理圖詳細(xì)了解了面包板的使用方法之后，按照實(shí)現(xiàn)方案原理圖在面包板上完成布。給電路提供工作電壓

8、（VCC和VEE的大小控制在±12V左右），選擇輸出端并接入示波器，觀察輸出的波形，示波器上出現(xiàn)的方波、三角波和正弦波波形都非常理想，但輸出電壓沒有滿足要求，經(jīng)過討論后，我們在輸出端接了一個(gè)分壓電路，通過改變分壓電路電阻阻值，輸出電壓可以逐個(gè)滿足條件。在易老師檢查之后，我們開始測量其他頻率波形，后發(fā)現(xiàn)低頻段波行雖能調(diào)出但失真嚴(yán)重。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)芯片10腳的0.1uF電容太小，如果換一個(gè)0.15uF的電容低頻波形會更完美，也沒有找到更合適的電容，不過帶入理論計(jì)算還是基本符合。最后我們組經(jīng)過兩個(gè)半小時(shí)的調(diào)試和測量得到了實(shí)驗(yàn)所需波形及數(shù)據(jù)。調(diào)試結(jié)果如下:圖8 方波輸出波形由圖8可以看出，方波

9、頻率為778.8kHz，Vpp=3.68V，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表1所示。表1 各滑動變阻器阻值方波，頻率778.8HZ，10號腳接入電容0.01F電阻名稱阻值（K）7.722.260.590.2913.282.760.939.4圖9方波輸出波形 由圖9可以看出，方波頻率為20.38kHz，Vpp=3.60V，此時(shí)各滑動變阻阻器值如表2。表2 各滑動變阻器阻值方波，頻率20.38kHZ，10號腳接入電容0.001F電阻名稱阻值（K）7.632.420.590.2913.282.760.939.4圖10 方波輸出波形由圖10可以看出，方波頻率為51.65Hz，Vpp=3.64V，而且波形出現(xiàn)失

10、真，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表3。表3 各滑動變阻器阻值方波，頻率51.65HZ，10號腳接入電容0.1F電阻名稱阻值（K）9.920.090.590.2913.282.760.939.4圖11 三角波輸出波形由圖11可以看出，三角波頻率為3.177kHz，Vpp=6.00V，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表4。表4 滑動變阻器阻值三角波，頻率3.177kHZ，10號腳接入電容0.01F電阻名稱阻值（K）9.790.240.590.2913.282.743.556.8圖12 三角波輸出波形由圖12可以看出，三角波頻率為20.08kHz，Vpp=6.00V，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表5。表5 各滑動變阻器阻

11、值三角波，頻率20kHZ，10號腳接入電容0.001F電阻名稱阻值（K）7.902.020.590.2913.282.743.556.8圖13 三角波輸出波形由圖13可以看出，三角波頻率為19.28Hz，Vpp=2.66V，而且波形出現(xiàn)失真，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表6。表6 各滑動變阻器阻值三角波，頻率19.28HZ，10號腳接入電容0.1F電阻名稱阻值（K）9.790.240.590.2913.282.743.556.8圖14 正弦波輸出波形由圖14可以看出，正弦波頻率為551.9Hz，Vpp=1.00V，而且波形出現(xiàn)失真，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表7。表7 各滑動變阻器阻值正弦波，頻率551

12、.9HZ，和、10號腳接入電容0.01F電阻名稱阻值（K）7.722.260.590.2913.282.760.939.4圖15 正弦波輸出波形由圖15可以看出，正弦波頻率為20.28kHz，Vpp=1.00V，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表8。表8 各滑動變阻器阻值正弦波，頻率20kHZ，10號腳接入電容0.001F電阻名稱阻值（K）7.722.260.590.2913.282.743.556.8圖16 正弦波輸出波形由圖16可以看出，正弦波頻率為72.89Hz，Vpp=1.01V，此時(shí)各滑動變阻器阻值如表9。表9 各滑動變阻器阻值正弦波，頻率72.89HZ，10號腳接入電容0.1F電阻名稱阻值（

13、K）7.722.260.590.2913.282.760.939.4結(jié)論：三個(gè)波形在100Hz20kHz頻率范圍內(nèi)輸出波形完美，但在20Hz100Hz頻率范圍內(nèi)波形出現(xiàn)失真，而且頻率越小是越嚴(yán)重，說明芯片10腳的0.1uF的電容太小，如果換一個(gè)0.15uF的電容低頻波形會更完美。結(jié)果表明ICL8038還沒有發(fā)揮到它最好的性能，這也和我們的布線有部分的關(guān)系，電阻電容的選擇略有欠缺，這都是急需鍛煉和培養(yǎng)的。5心得體會 本次電子綜合實(shí)訓(xùn)，我選擇了基于ICL8038的函數(shù)信號發(fā)生器，接到任務(wù)書后，我首先到圖書館借閱了相關(guān)書籍，經(jīng)過對比與思考，我從三個(gè)不同的思路設(shè)計(jì)了三個(gè)方案：方案一主要用到了集成運(yùn)放，

14、方案二主要用了NE555芯片，方案三主要用了ICL8038芯片。為了更好地符合設(shè)計(jì)要求，我在Protues上完成了三個(gè)電路的仿真模擬，期間遇到了問題，及時(shí)查閱資料并進(jìn)行修正與改進(jìn)，所以在實(shí)驗(yàn)室調(diào)試過程中我們只遇到了一些小問題，很快就完成了調(diào)試及相關(guān)數(shù)據(jù)的測量。此次電子綜合實(shí)訓(xùn)感悟頗多，現(xiàn)將心得體會總結(jié)如下：（1）在拿到設(shè)計(jì)方案后，不要急于著手設(shè)計(jì)，應(yīng)先深刻解設(shè)計(jì)要求，然后再查閱相關(guān)資料，這樣設(shè)計(jì)起來會事半功倍。在查閱相關(guān)資料時(shí)我們應(yīng)篩選出多種方案，然后進(jìn)行比較，選出和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求最相關(guān)的方案，然后再根據(jù)具體要求進(jìn)行改進(jìn)。（2）方案確定后，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循先總體考慮再糾正個(gè)別問題，例如方案一和方案二

15、設(shè)計(jì)時(shí)都出現(xiàn)了輸出電壓無法滿足的情況，通過查閱資料了解到ICL8038的輸出特性，矩形波幅值VCC，三角波幅值約為VCC/3，正弦波幅值約為VCC/5，所以不加分壓電路的話不能同時(shí)滿足實(shí)驗(yàn)電路電壓設(shè)計(jì)要求，所以我們再輸出端可以加上分壓電路。（3）設(shè)計(jì)方案完成后，要整體進(jìn)行對比與評價(jià)，找出各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對于實(shí)現(xiàn)方案我們要用于布線測試，所以要多從實(shí)際出發(fā)。因?yàn)槲业膶?shí)踐方案與老師給的參考方案比較相似，所以在布線與測試中省了好多力。（4）盡可能使電路布線規(guī)整有序，模塊之間關(guān)系清楚，既利于自己修改，也利于與別人交流。如果電路亂的連自己都看不懂，那還如何改進(jìn)和擴(kuò)展。（5）團(tuán)隊(duì)合作很重要，每個(gè)人看問題的角度都會不同，一個(gè)問題從不同的角度出發(fā)則會很容易解決。我們組比較出色的完成調(diào)試主要原因就是我與另一個(gè)組員誠心合力，分工明確，準(zhǔn)備充分。（6）無論做什么事情都要細(xì)心，實(shí)驗(yàn)更需要縝密嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男膽B(tài)。設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)更需要合理有序