1、陜西國防學院電子工程系畢業論文摘要本系統以ICL8038集成塊為核心器件,制作一種函數信號發生器,制作成本較低。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蕩集成電路,只需要個別的外部元件就能產生從0.001Hz30KHz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制信號輸入端,所以可以用來對低頻信號進行頻率調制。函數信號發生器根據用途不同,有產生三種或多種波形的函數發生器,其電路中使用的器件可以是分離器件,也可以是集成器件,產生方波、正弦波、三角波的方案有多種,如先產生正弦波,根據周期性的非正弦波與

2、正弦波所呈的某種確定的函數關系,再通過整形電路將正弦波轉化為方波,經過積分電路后將其變為三角波。也可以先產生三角波-方波,再將三角波或方波轉化為正弦波。隨著電子技術的快速發展,新材料新器件層出不窮,開發新款式函數信號發生器,器件的可選擇性大幅增加,例如ICL8038就是一種技術上很成熟的可以產生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以,可選擇的方案多種多樣,技術上是可行的。關鍵詞: ICL8038,波形,原理圖,常用接法1陜西國防學院電子工程系畢業論文目錄摘要 (1目錄 (2第一章項目任務 (31.1 項目建 (31.2 項目可行性研究 (3第二章方案選擇 (42.1 方案一 (42.2 方案二 (

3、4第三章基本原理 (53.1函數發生器的組成 (63.2 方波發生器 (63.3 三角波發生器 (73.4 正弦波發生器 (9第四章穩壓電源 (104.1 直流穩壓電源設計思路 (104.2 直流穩壓電源原理 (114.3設計方法簡介 (12第五章振蕩電路 (155.1 RC振蕩器的設計 (15第六章功率放大器 (176.1 OTL 功率放大器 (17第七章系統工作原理與分析 (197.1 ICL8038芯片簡介 (197.2 ICL8038的應用 (197.3 ICL8038原理簡介 (197.4 電路分析 (207.5工作原理 (207.6 正弦函數信號的失真度調節 (237.7 ICL8

4、038的典型應用 (24致謝 (25心得體會 (26參考文獻 (27附錄1 (28附錄2 (29附錄3 (302陜西國防學院電子工程系畢業論文第一章項目任務1.1 項目建議函數信號發生器是工業生產、產品開發、科學研究等領域必備的工具,它產生的鋸齒波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本測試信號。在示波器、電視機等儀器中,為了使電子按照一定規律運動,以利用熒光屏顯示圖像,常用到鋸齒波信號產生器作為時基電路。例如,要在示波器熒光屏上不失真地觀察到被測信號波形,要求在水平偏轉線圈上加隨時間線性變化的電壓鋸齒波電壓,使電子束沿水平方向勻速搜索熒光屏。對于三角波,方波同樣有重要的作用,而函數信號發生器是指

5、一般能自動產生方波正弦波三角波以及鋸齒波階梯波等電壓波形的電路或儀器。因此,建議開發一種能產生方波、正弦波、三角波的函數信號發生器。1.2 項目可行性研究函數信號發生器根據用途不同,有產生三種或多種波形的函數發生器,其電路中使用的器件可以是分離器件,也可以是集成器件,產生方波、正弦波、三角波的方案有多種,如先產生正弦波,根據周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數關系,再通過整形電路將正弦波轉化為方波,經過積分電路后將其變為三角波。也可以先產生三角波-方波,再將三角波或方波轉化為正弦波。隨著電子技術的快速發展,新材料新器件層出不窮,開發新款式函數信號發生器,器件的可選擇性大幅增加,例如IC

6、L8038就是一種技術上很成熟的可以產生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以,可選擇的方案多種多樣,技術上是可行的。3陜西國防學院電子工程系畢業論文第二章方案選擇2.1 方案一由文氏電橋產生正弦振蕩,然后通過比較器得到方波,方波積分可得三角波。這一方案為一開環電路,結構簡單,產生的正弦波和方波的波形失真較小。但是對于三角波的產生則有一定的麻煩,因為題目要求有1000倍的頻率覆蓋系數,顯然對于1000倍的頻率變化會有積分時間dt的1000倍變化從而導致輸出電壓振幅的1000倍變化。而這是電路所不希望的。幅度穩定性難以達到要求。而且通過仿真實驗會發現積分器極易產生失調。2.2 方案二利用ICL803

7、8芯片構成8038集成函數發生器。8038集成函數發生器是一種多用途的波形發生器,可以用來產生正弦波、方波、三角波和鋸齒波,其振蕩頻率可通過外加的直流電壓進行調節,所以是壓控集成信號產生器。由于外接電容C的充、放電電流由兩個電流源控制,所以電容C兩端電壓u c的變化與時間成線形關系,從而可以獲得理想的三角波輸出。8038電路中含有正弦波變換器,故可以直接將三角波變成正弦波輸出。另外還可以將三角波通過觸發器變成方波輸出。該方案的特點是十分明顯的:線性良好、穩定性好;頻率易調,在幾個數量級的頻帶范圍內,可以方便地連續地改變頻率,而且頻率改變時,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

8、后會立即產生穩定的波形;三角波和方波在半周期內是時間的線性函數,易于變換其他波形。綜合上述分析,我們采用了第二種方案來產生信號。4陜西國防學院電子工程系畢業論文5 第三章 基本原理3.1 函數發生器的組成函數發生器一般是指能自動產生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運放及分離元件構成;也可以采用單片集成函數發生器。根據用途不同,有產生三種或多種波形的函數發生器,本課題介紹方波、三角波、正弦波函數發生器的方法。函數信號發生器是是由基礎的非正弦信號發生電路和正弦波形發生電路組合而成。下面我們將分別對各個波形的發生進行分析,從而達到在合成電路時使電路更加合理。3.2 方

9、波發生器:如圖3-2-1用運算放大器滯回比較器和f R 、C 積分電路組成的,輸出電壓經f R 、C 反饋到運放的反相輸出端,因此積分電路起延遲和負反饋作用。 圖3-2-1參看圖3-2-1所示電路,設在接通電源的時刻,電容器兩端電壓0=C u ,輸出電壓Z O U u =,則加到運放同相輸出端的電壓為Z Z P FU U R R R u =+=212。 式中,(212R R R F +=。此時Z O U u =通過1R 向C 充電,使運放反相輸入電壓C N u u =由零逐漸上升。在P N u u <以前,Z O U u =保持不變。在1t t =時刻,N u 上升到略高于P u ,O

10、u 由高電平跳到低電平,即變為Z U -。Z O U u -=時,Z P FU u -=,同時Z O U u -=通過f R 向C 充電,使運放反相輸入端電壓C N u u =由零逐漸上升。在P N u u >以前,Z O U u -=保持不變。在2t t =時刻,N u 下降到略低于P u ,O u 由低電平跳到高電平,即變為Z U ,又回到原始狀態。如此周而復始,循環不已,因此產生振蕩,輸出方波。根據上邊的分析,可以畫出C u 與O u 的波形如下圖所示: 圖3-2-2由波形可知,C u 從1t 時刻的Z Z Z FU R R U R =+21下降到2t 時刻的Z FU -,再上升到

11、3t 時刻的Z FU ,所需的時間就是一個振蕩周期O T 在1t 到2t 這段時間,C u 的變化規律是簡單RC 電路充放電規律,其常數為C R f ,初始值為Z FU (1t 時刻,終了值為Z U -(t ,故CR t t Z Z Z C f eU FU U u /(1(-+-=在2t t =時, Z C FU u -=,代入上式后可求得21ln(11ln 1212R R C R F FC R t t f f +=-+=-同樣可求得 21l n (121223R RC R t t t t f +=-=-由于高低電平所占的時間相等,故O u 是方波。其振蕩周期為21ln(21213R RC R

12、 t t T f +=-=若選取適當的1R 、2R 值,使47.0(212=+=R R R F ,則C R T f 2=,于是振蕩頻率為:3.3 三角波發生器:根據RC 積分電路輸入和輸出信號波形的關系可知,當RC 積分電路的輸入信號為方波時,輸出信號就是三角波,由此可得,利用方波信號發生器和RC 積分電路就可以組成三角波信號發生器。三角波信號發生器的電路組成如圖3-2-3所示。圖中的運算放大器1A 組成方波信號發生器,2A 組成RC 積分電路。該電路的工作原理是:方波信號發生器輸出的方波。圖中1A 等還可構成同相滯回比較器,2A 和4R 、C 等組成反相積分電路。信號輸入積分電路,在積分電路

13、的輸出端得到三角波信號。積分電路的輸出端除了輸出三角波信號外,并通過電阻R 1將三角波信號反饋到滯回電壓比較器的輸入端,將三角波信號整CR T f f 2110=形變換成方波信號輸出。該電路的工作波形圖如圖3-3-3所示。 圖3-3-3根據上圖可以看出在t=0時,比較器1A 輸出電壓為高電平,電容兩端的電壓為零,即1p u 略低于Z O U u =0(1,00(=C u ,則積分電路輸出電壓00(0(=-=C O u u 。此時電容被充電,顯然于是O u 線性下降,1P u 也下降,直到1t t =時,1P u 略低于0(11=N N u u ,即1p u 略低于零時,1O u 從Z U 突跳

14、到Z U -,同時1P u 也跳變到更低的值(比零低的多。可見,在1t t =前的一瞬間,01=P u ,Z O U u =1,而從流過1R 和2R 的電流相等,則211(R U R t u Z O =-, 故1t t =后,由于Z O U u -=1,故電容放電,其兩端電壓因 故于是O u 線性上升,1P u 也上升。直到2t t =時,1P u 略大于零,1O u 從Z U -突跳到Z U 。可見,在2t t =前的一瞬間,01=P u ,Z O U u -=1,則212(R U R t u Z O =-,t CR U d U C R t u Zt t Z O 40411(-=-=-+-=

15、t ZC Z C t t CR U t u dt U C R u 01414(1Z O C U R R t u t u 2111(=(1421t t CR UU R R u u Z Z C O -+-=-=Z O U R R t u 211(-=故在2t t =以后電路周而復始,循環不以,形成振蕩。 則根據分析可以畫出1O u 和O u 的波形,如圖3-3-4所示。圖3-3-4其中1O u 為方波,O u 為三角波。O u 之所以為三角波,是由于電容充放電的時間常數相等,積分電路輸出電壓O u 上升和下降的幅度和時間相等,上升和下降的斜率的絕對值也相等。顯然,三角波O u 峰值為:Z om U

16、 R R U 12=下面求振蕩周期。由于212T t t =-,而當21t t t 時,有(1421t t C R UU R R u Z Z O -+-=則 Z Z Z O U R Rt t C R U U R R t u 12124212(=-+-=故 241124(2R CR R t t T =-=則可以在調整三角波電路時,應先調整1R 或2R ,使其峰值達到所需要的值,然后再調整4R 或C ,使頻率T f 10=能滿足要求。ZO U R R t u 21(= 3.4正弦波發生器:又稱文氏電橋振蕩器,如圖1-3-1所示,其中A放大器由同相運放電路組成,圖3-4-2,因此,1(12RRVVA

17、dov+=圖3-4-1圖3-4-2F網絡由RC串并聯網絡組成,由于運放的輸入阻抗Ri很大,輸出阻抗Ro很小,其對F網絡的影響可以忽略不計,從圖3-4-3有RCjRCjRRCjRVVFofv+=1111(31(1(2CCRjRRRCjRRCjR-+=+=由自激振蕩條件:T=AF=1有11(32=-+=CC R j R RA F A v v v 所以上式分母中的虛部必須為零,即 012=-CC R RC 10=振蕩頻率上式的實部為1,即 13=RRA v3=v A 起振條件對圖3-4-2同相運放, 121R RA v += 須滿足122R R =以上分析表明: 文氏電橋振蕩器的振蕩頻率RC10=,

18、由具有選頻特性的RC 串聯網絡決定。圖中文氏電橋振蕩器的起振條件為3v A ,即要求放大器的電壓增益大于等于3,略大于3的原因是由于電路中的各種損耗,致使幅度下降而給予補償。但A 比3大得多了會導致輸出正弦波形變差。 圖3-4-3第四章 穩壓電源4.1 直流穩壓電源設計思路(1電網供電電壓交流220V(有效值50Hz ,要獲得低壓直流輸出,首先必須采用電源變壓器將電網電壓降低獲得所需要交流電壓。(2降壓后的交流電壓,通過整流電路變成單向直流電,但其幅度變化大(即脈動大。(3脈動大的直流電壓須經過濾波電路變成平滑,脈動小的直流電,即將交流成份濾掉,保留其直流成份。(4濾波后的直流電壓,再通過穩壓

19、電路穩壓,便可得到基本不受外界影響的穩定直流電壓輸出,供給負載RL 。4.2 直流穩壓電源原理 直流穩壓電源是一種將220V 工頻交流電轉換成穩壓輸出的直流電壓的裝置,它需要變壓、整流、濾波、穩壓四個環節才能完成,見圖4-1圖4-1 直流穩壓電源方框圖其中:(1電源變壓器:是降壓變壓器,它將電網220V 交流電壓變換成符合需要的交流電壓,并送給整流電路,變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。(2整流電路:利用單向導電元件,把50Hz 的正弦交流電變換成脈動的直流電 (3濾波電路:可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除,從而得到比較平滑的直流電壓。(4穩壓電路:穩壓電路的功能是使輸出的直

20、流電壓穩定,不隨交流電網電壓和負載的變化而變化。整流電路常采用二極管單相全波整流電路,電路如圖3所示。在u2的正半周內,二極管D1、D2導通,D3、D4截止;u2的負半周內,D3、D4導通,D1、D2截止。正負半工頻交流脈動直流直流負載周內部都有電流流過的負載電阻R L ,且方向是一致的。電路的輸出波形如圖4所示。在橋式整流電路中,每個二極管都只在半個周期內導電,所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半,即 。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為22U (U 2是變壓器副邊電壓有效值。在設計中,常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點,將電容器和負載電容并

21、聯或電容器與負載電阻串聯,以達到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后,直流輸出電壓:U o1=(1.11.2U 2,直流輸出電流: (I 2是變壓器副邊電流的有效值。,穩壓電路可選集成三端穩壓器電路。總體原理電路見圖4-4圖4-4 穩壓電路原理圖4.3設計方法簡介4.3.1根據設計所要求的性能指標,選擇集成三端穩壓器。因為要求輸出電壓可調,所以選擇三端可調式集成穩壓器。可調式集成穩壓器, 常見t t 圖4-2整流電路121o f I I =(25.121II o =的主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列穩壓器輸出連續可調的正電壓,337系列穩壓器輸出連可調的

22、負電壓,可調范圍為1.2V37V ,最大輸出電流max O I 為1.5A 。穩壓內部含有過流、過熱保護電路,具有安全可靠,性能優良、不易損壞、使用方便等優點。其電壓調整率和電流調整率均優于固定式集成穩壓構成的可調電壓穩壓電源。LM317系列和LM337系列的引腳功能相同,管腳圖和典型電路如圖4-5和圖4-6。 圖4-5 管腳 圖4-6典型電路 輸出電壓表達式為: +=11125.1R RP U o 式中,1.25是集成穩壓塊輸出端與調整端之間的固有參考電壓REF V ,此電壓加于給定電阻1R 兩端,將產生一個恒定電流通過輸出電壓調節電位器1RP ,電阻1R 常取值240120,1RP 一般使

23、用精密電位器,與其并聯的電容器C 可進一步減小輸出電壓的紋波。圖中加入了二極管D ,用于防止輸出端短路時10µF 大電容放電倒灌入三端穩壓器而被損壞。LM317其特性參數:輸出電壓可調范圍:1.2V 37V 輸出負載電流:1.5A輸入與輸出工作壓差U=U i -U o :340V 能滿足設計要求,故選用LM317組成穩壓電路。4.3.2 選擇電源變壓器1確定副邊電壓U 2:根據性能指標要求:U omin =3V U omax =9V 又 U i -U omax (U i -U o min U i -U oin (U i -U o max 其中:(U i -U oin min =3V

24、,(U i -U o max =40V 12V U i 43V此范圍中可任選 :U i =14V=U o1 根據 U o1=(1.11.2U 2可得變壓的副邊電壓:V U U O 1215.112=2確定變壓器副邊電流I 2 I o1=I o又副邊電流I 2=(1.52I O1 取I O =I Omax =800mA 則I 2=1.5*0.8A=1.2A3選擇變壓器的功率變壓器的輸出功率:Po>I 2U 2=14.4W4.3.3 選擇整流電路中的二極管 變壓器的副邊電壓U 2=12V 橋式整流電路中的二極管承受的最高反向電壓為:V U 1722橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為:A

25、 I o4.028.02=查手冊選整流二極管IN4001,其參數為:反向擊穿電壓U BR =50V>17V 最大整流電流I F =1A>0.4A4.4.4 濾波電路中濾波電容的選擇濾波電容的大小可用式 求得。 1求U i :根據穩壓電路的的穩壓系數的定義: 設計要求U o 15mV ,S V 0.003U o =+3V +9VU i =14V代入上式,則可求得U i 2濾波電容C設定I o =I omax =0.8A ,t=0.01S 則可求得C 。電路中濾波電容承受的最高電壓為V U 1722,所以所選電容器的耐壓應大于17V 。io U tI C =ii ooV U U U U

26、 S =第五章 振蕩電路5.1 RC 振蕩器的設計RC 振蕩器的設計,就是根據所給出的指標要求,選擇電路的結構形式,計算和確定電路中各元件的參數,使它們在所要求的頻率范圍內滿足振蕩的條件,使電路產生滿足指標要求的正弦波形。RC 振蕩器的設計,可按以下幾個步驟進行:1.根據已知的指標,選擇電 路形式。2. 計算和確定電路中的元件 參數。3. 選擇運算放大器4. 調試電路,使該電路滿足指標要求。設計舉例:設計一個振蕩頻率為800Hz 的RC (文氏電橋正弦波振蕩器。 圖5-1 RC 正弦波振蕩器設計步驟如下:根據設計要求,選擇圖5-1所示電路。 1.計算和確定電路中的元件參數。(1根據振蕩器的頻率

27、,計算RC 乘積的值。(1099.180014.3212140s f RC -= (2確定R 、C 的值為了使選頻網絡的特性不受運算放大器輸入電阻和輸出電阻的影響。按:R i >> R >> R 0的關系選擇R 的值。其中:R i (幾百k 以上為運算放大器同相端的輸入電阻。R 0(幾百以下為運算放大器的輸出電阻。因此,初選R=20k ,則:uF F C 1.010995.010201099.1734=- (3確定R 3和R f (在圖1中R f =R 4+R w +r d /R 5的值。由振蕩的振幅條件可知,要使電路起振,R f 應略大于2R 3,通常取R f =2.

28、1R 3。以保證電路能起振和減小波形失真。另外,為了滿足R=R 3/R f 的直流平衡條件,減小運放輸入失調電流的影響。由R f =2.1R 3和R=R 3/R f 可求出:R 3=1.21.3R =33105.2910201.21.3 取標稱值: R 3=30k 所以:R f =2.1R 3=2.131030=63k .為了達到最好效果, R f 與R 3的值還需通過實驗調整后確定。(4確定穩幅電路及其元件值。穩幅電路由R 5和兩個接法相反的二極管D 1、D 2并聯而成,如圖1所示。 穩幅二極管D 1、D 2 應選用溫度穩定性較高的硅管。而且二極管D 1、D 2的特性必須一致,以保證輸出波形

29、的正負半周對稱。(5R 5與R 2的確定由于二極管的非線性會引起波形失真,因此,為了減小非線性失真,可在二極管的兩端并上一個阻值與r d (r d 為二極管導通時的動態電阻相近的電阻R 5。(R 5一般取幾千歐,在本例中取R 5=2k 。然后再經過實驗調整,以達到最好效果。R 5確定后,可按下式求出R 2。R 2=R f -(R 5/r d R f -R 5 /2 = 63k -1k = 62k 為了達到最佳效果, R 2可用30k 電阻和50 k 的電位器串聯(即R 2=R 4+R w 。(6選擇運放的型號選擇的運放,要求輸入電阻高、輸出電阻小,而且增益帶寬積要滿足:A uo BW >

30、3f o的條件。由于本例中的f o =800Hz ,故選用A741集成運算放大器。第六章 功率放大器電子電路一般都由多級放大器組成。多級放大器在工作過程中,一般先由小信號放大電路對輸入信號進行電壓放大,再由功率放大電路進行功率放大,以控制或驅動負載電路工作。這種以功率放大為目的的電路,就是功率放大電路。能使低頻信號功率放大的放大器,即為低頻功率放大器,簡稱功率放大器。6.1 OTL 功率放大器圖6-1-1所示為OTL 低頻功率放大器。其中由晶體三極管T 1組成推動級(也稱前置放大級,T 2、T 3是一對參數對稱的NPN 和PNP 型晶體三極管,它們組成互補推挽OTL 功放電路。由于每一個管子都

31、接成射極輸出器形式,因此具 圖6-1-1 OTL 功率放大器實驗電路有輸出電阻低,負載能力強等優點,適合于作功率輸出級。T 1管工作于甲類狀態,它的集電極電流I C1由電位器R W1進行調節。I C1 的一部分流經電位器R W2及二極管D , 給T 2、T 3提供偏壓。調節R W2,可以使T 2、T 3得到合適的靜態電流而工作于甲、乙類狀態,以克服交越失真。靜態時要求輸出端中點A 的電位CC A U 21U ,可以通過調節R W1來實現,又由于R W1的一端接在A 點,因此在電路中引入交、直流電壓并聯負反饋,一方面能夠穩定放大器的靜態工作點,同時也改善了非線性失真。當輸入正弦交流信號u i 時

32、,經T 1放大、倒相后同時作用于T 2、T 3的基極,u i 的負半周使T 2管導通(T 3管截止,有電流通過負載R L ,同時向電容C 0充電,在u i 的正半周,T 3導通(T 2截止,則已充好電的電容器C 0起著電源的作用,通過負載R L 放電,這樣在R L 上就得到完整的正弦波。C 2和R 構成自舉電路,用于提高輸出電壓正半周的幅度,以得到大的動態范圍。 OTL 電路的主要性能指標1、最大不失真輸出功率P 0m理想情況下,L2CC om R U 81P =,在實驗中可通過測量R L 兩端的電壓有效值,來得實際的 圖6-1-2所示為OTL 低頻功率放大器。其中由晶體三極管T 1組成推動級

33、(也稱前置放大級,T 2、T 3是一對參數對稱的NPN 和PNP 型晶體三極管,它們組成互補推挽OTL 功放電路。由于每一個管子都接成射極輸出器形式,因此具 圖6-1-2 OTL 功率放大器實驗電路有輸出電阻低,負載能力強等優點,適合于作功率輸出級。T 1管工作于甲類狀態,它的集電極電流I C1由電位器R W1進行調節。I C1 的一部分流經電位器R W2及二極管D , 給T 2、T 3提供偏壓。調節R W2,可以使T 2、T 3得到合適的靜態電流而工作于甲、乙類狀態,以克服交越失真。靜態時要求輸出端中點A 的電位CC A U 21U =,可以通過調節R W1來實現,又由于R W1的一端接在A

34、 點,因此在電路中引入交、直流電壓并聯負反饋,一方面能夠穩定放大器的靜態工作點,同時也改善了非線性失真。當輸入正弦交流信號u i 時,經T 1放大、倒相后同時作用于T 2、T 3的基極,u i 的負半周使T 2管導通(T 3管截止,有電流通過負載R L ,同時向電容C 0充電,在u i 的正半周,T 3導通(T 2截止,則已充好電的電容器C 0起著電源的作用,通過負載R L 放電,這樣在R L 上就得到完整的正弦波。C 2和R 構成自舉電路,用于提高輸出電壓正半周的幅度,以得到大的動態范圍。 OTL 電路的主要性能指標2、最大不失真輸出功率P 0m理想情況下,L2CC om R U 81P =

35、,在實驗中可通過測量R L 兩端的電壓有效值,來得實際的第七章系統工作原理與分析7.1 ICL8038 芯片簡介性能特點具有在發生溫度變化時產生低的頻率漂移,最大不超過50ppm/;具有正弦波、三角波和方波等多種函數信號輸出;正弦波輸出具有低于1%的失真度;三角波輸出具有0.1%高線性度;具有0.001Hz1MHz的頻率輸出范圍;工作變化周期寬,2%98%之間任意可調;高的電平輸出范圍,從TTL電平至28V;易于使用,只需要很少的外部條件。7.2 ICL8038的應用ICL8038是精密波形產生與壓控振蕩器,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。(1ICL8

36、038電源電壓范圍寬,采用單電源供電時,V+-GND的電壓范圍+10-+30V;采用雙電源供電時,V+-V-的電壓可在±5-±15V內選取。電源電流約15mA。(2振蕩頻率范圍寬,頻率穩定性好。頻率范圍是0.001Hz-300kHz,頻率溫漂僅50ppm/(1ppm=10-6。(3輸出波形的失真小。正弦波失真度<5%,經過仔細調整后,失真度還可降低到0.5%。三角波的線性度高達0.1%。(4矩形波占空比的調節范圍很寬,D=1%-99%,由此可獲得窄脈沖、寬脈沖或方波。(5外圍電路非常簡單,易于制作。通過調節外部阻容元件值,即可改變振蕩頻率,產生高質量的中、低頻正弦波,

37、矩形波(或方波,窄脈沖,三角波(或鋸齒波等函數波形,其應用領域比普通單一波形的信號發生器更為廣闊。此外8038還能實現FM調制,掃描輸出7.3 ICL8038原理簡介ICL8038采用DIP-14封裝,管腳如下圖所示。芯片內部包括兩個恒流源,兩個電壓比較器,兩個緩沖器,正弦波變換器,模擬開關,RS觸發器。在構成函數波形發生器時,應將第7,8兩腳短接。其工作原理如下:利用恒流源對外接電容進行充放電,產生三角波(或鋸齒波,經緩沖器I從第3腳輸出,由觸發器獲得的方波(或鋸形波,經緩沖器從第九腳輸出。再利用正弦波變換器將三角波變換成正弦波,從第2腳輸出。改變電容器的充放電時間,可實現三角波與鋸齒波方波

38、與矩形波的互相轉換。 圖7-3 ICL80387.4 電路分析:由于ICL8038單片函數發生器有兩種工作方式,即輸出函數信號的頻率調節電壓可以由內部供給,也可以由外部供給。在初始階段我們用以下幾種由內部供給偏置電壓調節的接線圖對芯片進行測試,觀察其特性,圖7-4-1為基本接法,圖7-4-2和圖7-4-3圖可調節占空比。 圖7-4-1 圖7-4-2 圖7-4-3在以上應用中,由于第7腳頻率調節電壓偏置一定,所以函數信號的頻率和占空比由RA、RB和C決定,其頻率為F,周期T,t1為振蕩電容充電時間,t2為放電時間。T=t1+t2f=1/T由于三角函數信號在電容充電時,電容電壓上升到比較器規定輸入

39、電壓的1/3倍,分得的時間為t1=CV/I=(C+1/3VccR A/(1/5Vcc=5/3RAC在電容放電時,電壓降到比較器輸入電壓的1/3時,分得的時間為t2=CV/I=(C+1/3VCC/(2/5VCCRB-1/5VCC/RA=(3/5RA*RBC/(2RA-RBf=1/(t1+t2=3/5RAC1+RB/(2RA-R對圖6-1-1中,如果RA=RB,就可以獲得占空比為50%的方波信號。其頻率f=3/ (10RAC。針對以上電路失真無法調節的缺點,我們改進方案,實現正弦波正負失真的可調。見圖7-1-4,由于該芯片所產生的正弦波是由三角波經非線性網絡變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是

40、為調節輸出正弦波失真度而設置的。下圖為一個調節輸出正弦波失真度的典型應用,其中第1腳調節振蕩電容充電時間過程中的非線性逼近點,第12腳調節振蕩電容在放電時間過程中的非線性逼近點,在安裝調試中,我們選用兩只100K的多圈精密電位器,反復調節,達到了很好效果的方波占空比調節、正弦波和三角波的對稱調節。 圖7-1-4:失真和占空比可調圖7-1-5:失真、占空比、頻率可調圖7-1-4電路無法調節頻率,我們采用外部供給頻率調節電壓的方式實現頻率的可調,通過10k電位器,我們可以控制8端電壓的調節范圍2/3 Vcc到Vcc。7.4.1 ICL8038內部原理ICL8038是單片集成函數發生器,其內部原理電

41、路框圖如圖7-2。在圖7-2中,ICL8038由恒流源I1、I2,電壓比較器C1、C2和觸發器等組成。電壓比較器C1、C2的門限電壓分別為2V R/3和V R/(V R=V CC+V EE,電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調節,且I2必須大于I1。當觸發器的Q端輸出為低電平時,它控制開關S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電,使電容兩端電壓V C隨時間線性上升,當V C上升到V C=2V R/3時,比較器C1輸出發生跳變,使觸發器輸出端Q由低電平變為高電平,控制開關S使電流源I2接通。由于I2>I1,因此電容C放電,v c隨時間線性下降。當v c下降到v cV R/3時,

42、比較器C2輸出發生跳變,使觸發器輸出端Q又由高電平變為低電平,I2再次斷開,I1再次向C充電,v c又隨時間線性上升。如此周而復始,產生振蕩,若I2=2I1,v c上升時間與下降時間相等,就產生三角波輸出到腳3。而觸發器輸出的方波經緩沖器輸出到腳9。三角波經正弦波變換器變成正弦波后由腳2輸出。因此,ICL8038能輸出方波、三角波和正弦波等三種不同的波形圖7-2 內部原理電路框圖其中,振蕩電容C由外部接入,它是由內部兩個恒流源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態是由恒流源1對電容器C連續充電,增加電容電壓,從而改變比較器的輸入電平,比較器的狀態改變,帶動觸發器翻轉來連續控制的。當觸發器的狀態

43、使恒流源2處于關閉狀態,電容電壓達到比較器1輸入電壓規定值的2/3倍時,比較器1狀態改變,使觸發器工作狀態發生翻轉,將模擬開關K由B點接到A點。由于恒流源2的工作電流值為2I,是恒流源1的2倍,電容器處于放電狀態,在單位時間內電容器端電壓將線性下降,當電容電壓下降到比較器2的輸入電壓規定值的1/3倍時,比較器2狀態改變,使觸發器又翻轉回到原來的狀態,這樣周期性的循環,完成振蕩過程。在以上基本電路中很容易獲得3種函數信號,假如電容器在充電過程和在放電過程的時間常數相等,而且在電容器充放電時,電容電壓就是三角波函數,三角波信號由此獲得。由于觸發器的工作狀態變化時間也是由電容電壓的充放電過程決定的,

44、所以,觸發器的狀態翻轉,就能產生方波函數信號,在芯片內部,這兩種函數信號經緩沖器功率放大,并從管腳3和管腳9輸出。適當選擇外部的電阻RA 和RB和C可以滿足方波函數等信號在頻率、占空比調節的全部范圍。因此,對兩個恒流源在I和2I電流不對稱的情況下,可以循環調節,從最小到最大,任意選擇調整,所以,只要調節電容器充放電時間不相等,就可獲得鋸齒波等函數 信號。正弦函數信號由三角波函數信號經過非線性變換而獲得。利用二極管的非線性特性,可以將三角波信號的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。ICL8038中的非線性網絡是由4級擊穿點的非線性逼近網絡構成。一般說來,逼近點越多得到的正弦波效果越好,失真度也越

45、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。7.5工作原理當給函數發生器ICL8038接通電源時,電容C的電壓為0 V,電壓比較器和的輸出電壓均為低電平;因而RS觸發器的輸出Q為低電平,Q為高電平;使電子開關S斷開,電流源IS1對電容充電,充電電流時間的增長而線性上升。Uc的上升使RS觸發器的R端從低電平躍變為高電平,但其輸出不變,一直到Uc上升到1/3 VCC時,電壓比較器的輸出電壓躍變為高電平,Q才變為高電平(Q同時變為低電平,導致電子開關S閉合,電容C開始放電,放電電流為IS2-IS1=I,因放電電流是恒流,所以,電容上電壓Uc

46、 隨時間的增長而線性下降。起初,Uc的下降雖然使RS觸發器的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1/3 VEE,使電壓比較器的輸出電壓躍變為低電平,Q才變為低電平(Q同時為高電平,使得電子開關S斷開,電容C又開始充電。重復上述過程,周而復始,電路產生了自激振蕩。由于充電電流與放電電流數值相等,因而電容上電壓為對稱三角波形,Q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。通過以上分析可知,改變電容充電放電電流即改變RA,RB的數值,或改變電容C的數值,就改變了充放電時間,因此可改變其頻率。ICL8038是性能優良的集成函數發生器。可用單電源供電,也

47、可雙電源供電,他們的值為±5±15 V,我們取±15 V,頻率的可調范圍為0.1250 kHz,輸出矩形波的占空比可調范圍為5%90%。7.6 正弦函數信號的失真度調節由于ICL8038單片函數發生器所產生的正弦波是由三角波經非線性網絡變換而獲得。該芯片的第1腳和第12腳就是為調節輸出正弦波失真度而設置的。圖7-6-1為一個調節輸出正弦波失真度的典型應用,其中第1腳調節振蕩電容充電時間過程中的非線性逼近點,第12腳調節振蕩電容在放電時間過程中的非線性逼近點,在實際應用中,兩只100K 的電位器應選擇多圈精度電位器,反復調節,可以達到很好的效果。 圖7-6-1正弦波

48、失真度調節電路7.7 ICL8038的典型應用IC8038的典型應用電路見圖7-7-1。圖中,R1、R2為定時電阻,均為可調式,阻值范圍為1k1M。調節能改變振蕩頻率以及矩形波的占空比。為定時電容,也影響振蕩頻率。R3用來調整正弦波的失真。由于第9腳為集電極開路輸出,必須外接集電極負載電阻R4。特別,當R1=R2=R時,I2=2I,即t1=t2,D=50%,此時輸出為對稱的方波、三角波和正弦波。式子化簡成: fo=0.3/RC如果在把第4、5兩腳短接,經過一只公用的定時電阻R接V+,振蕩頻率的計算公式: f o =0.15/R 圖7-7-1注意事項:(1用單電源供電時,三角波和正弦波的平均值等

49、于V+ /2,而方波幅度為 V+。用雙電源供電時,所有輸出波形相對于地(GND電平均是正負相稱的。(2方波輸出的電壓幅度不受V+的限制,也可以把負載電阻R4改接其它電源電壓E +上,但E+不得超過+30V。(3為減小正弦波的失真,可將圖3中的R3(82k換成100k可調電阻。還可以采用圖5所示電路,該電路適合對振蕩器作小范圍調整(R是調節電阻,并使正弦波的失真度減小到0.5%以下,R4、R7為失真度調節電阻。致謝本課題在選題及研究過程是在周永金老師的親切關懷和悉心指導下完成的。老師們多次詢問研究進程,并為我指點迷津,幫助我開拓研究思路,精心點撥、熱忱鼓勵。老師他們嚴謹細致、一絲不茍的工作作風,嚴謹求實的態度,踏踏實實的精神,不僅授我以文,而且教我做人,雖歷時三載,卻給以終生受益無窮之道。對老師的感激之情是無法用言語表達的。感謝帶過我的老師對我的教育培養。他們細心指導我的學習與研究,從課題的