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模拟电子技术课程设计

题目：　 　　多功能三角波产生器 　

院 系：工学院电气与电子工程系
专 业： 电气工程及其自动化
班 级：
姓 名： 　 　
学 号：
指导教师：

二〇一六 年 十二 月

多功能三角波产生器

摘 要
信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的信号发生器，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、三角波的方案也有多种
本系统以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测量使用。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0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。
关键词：ICL8038 方波 正弦波 三角波

目录

第1章 绪论 1
1.1 项目概况 1
1.2 项目的意义 1
1.3 设计要求 2
第2章 方案的选择及论证 3
2.1 设计方案 3
2.1.1 方案一 3
2.1.2 方案二 3
2.2 方案选取及论证 4
第三章 电路的设计过程 5
3.1 信号发生器原理图 5
3.2 电路主要元件的分析 5
3.2.1 ICL8038 管脚功能图及实物图 5
3.2.2 ICL8038的性能特点 6
3.2.3 ICL8038的工作原理 7
3.3 系统电路的仿真 8
3.5 电源电路的设计 11
3.5.1 电源电路的原理 11
3.5.2 电源电路的仿真 11
第四章 元器件的选择 13
总结 14
参考文献 15

第1章 绪论

1.1 项目概况
信号发生器根据用途不同,有产生三种或多种波形的发生器,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,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。ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、精度高、易于用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可同时产生方波、三角波和正弦波，其函数波形的频率受内部或外电压控制，可被应用于压控振荡等波形。
1.2 项目的意义
信号发生器是科研及工程实践中重要的仪器之一，在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域系统设计及调试过程中，用不同频率的正弦波、三角波和方波常作为信号源，应用十分方便。过去常由分立元件及集成运放构成振荡器，分立元件体积大、相对耗能高、故障频率也高。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很快、很方便的构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有很大的提高[1]。

1.3 设计要求
（1）输出波形频率范围为0.02Hz∽20kHz且连续可调；
（2）正弦波幅值为±10V，失真度小于2%；
（3）方波幅值为10V；
（4）三角波峰-峰值为20V；
（5）各种波形幅值均连续可调；
（6）设计电路所需的直流电源。

第2章 方案的选择及论证

2.1 设计方案
2.1.1 方案一
采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。此方案中信号发生器电路组成框图如图2-1,由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性[1]。

图 2-1 函数发生器电路组成框图
 2.1.2 方案二
利用单片集成函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、电位器等外围电路灵活的组成，使通过电源来产生正弦波、方波、三角波等波形电路。工作原理整体框图如图2-2

幅度控制

方波
ICL8038

频率选
择控制
三角波

正弦波

直流电源

图 2-2 ICL8038电路组成框图

本系统以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测量使用。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0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制[2]。
2.2 方案选取及论证
经过分析比较，由于方案一函数发生器所采用电路复杂，不易理解，更不容易掌握，所以本课题采用方案二用单片集成函数信号发生器ICL8038、集成振荡器、集成定时器等灵活的组成来产生正弦波、方波、三角波等波形电路，具有线路简单，调试方便，功能完备，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，比较容易满足设计需要。

第三章 电路的设计过程

3.1 信号发生器原理图
由于ICL8038单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3-1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，图3-1即为产生三种波形的函数发生器的原理图[2]。

图3-1 函数发生器原理图
3.2 电路主要元件的分析
3.2.1 ICL8038 管脚功能图及实物图
脚1、12 （Sine Wave Adjust）：正弦波失真度调节； 脚2（Sine Wave Out）：正弦波输出； 脚3（Triangle Out）：三角波输出； 脚4、5（Duty Cycle Frequency）：方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V＋）：正电源±10V～±18V；脚7（FM Bias）：内部频率调节偏置电压输；脚8(FM Sweep)：外部扫描频率电压输入；脚9（Square Wave Out）：方波输出，为开路结构；脚10（Timing Capacitor）：外接振荡电容；脚11（V－ or GND）：负电原或地；脚13、14（NC）：空脚[5]。

图3-2 ICL8038 管脚功能图

图3-3 ICL8038实物图

3.2.2 ICL8038的性能特点[5]
（1）具有在发生温度变化时产生低的频率漂移，最大不超过50ppm／℃。
（2）正弦波输出具有低于1％的失真度。
（3）三角波输出具有0．1％高线性度。
（4）具有0．001Hz～1MHz的频率输出范围；工作变化周期宽。
（5）2％～98％之间任意可调；高的电平输出范围。
（6）从TTL电平至28V。
（7）具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。
（8）易于使用，只需要很少的外部条件。
3.2.3 ICL8038的工作原理
ICL8038 是单片集成函数信号发生器，其内部框图如图3-4所示。它由恒流源I1和 I2、电压比较器A和B、触发器、缓冲期和三角波变正弦波电路等组成。

图3-4 内部框图
外接电容C由两个恒流源充电和放电，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。

在以上基本电路中很容易获得4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RA和RB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I1和I2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[3]。

3.3 系统电路的仿真
函数发生器的电路是在proteus中画出原理电路图并进行的仿真实验。因为设计要求是产生方波、三角波、正弦波，所以ICL8038的4管脚5管脚的外接电阻一定要相等才能产生占空比为50%的矩形波即方波，才可以产生三角波。如果占空比不为50%产生的波形就为锯齿波。通过计算将4脚5脚的外接电阻都设为4.7K，外接电源为正负12V的直流电源，调节可变电阻器的阻值就可以产生频率范周为0.02Hz~20kHz的方波、三角波和正弦波[4]。  

图3-5 总体电路的仿真

图3-6 正弦波仿真图

图3-7 三角波仿真图

图3-8 方波仿真图

3.5 电源电路的设计
3.5.1 电源电路的原理
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3-9
图3-9 直流稳压电源方框图
其中：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。
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
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。
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[2]。

3.5.2 电源电路的仿真
电路是在proteus中画出原理电路图并进行的仿真实验[4]。

图3-10 供电电路的仿真图

第四章 元器件的选择

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R1、R2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＋t2    f＝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 1)/(1/5•Vcc)=5/3R1•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•VCCR2－1/5•VCC/RA)＝(3/5•R1＊R2•C)/(2R1－R2)  f＝1／（t1＋t2）＝3／｛5R1C［1＋R2／（2R1－R2）］｝ 
如果R1＝R2，就可以获得占空比为50％的方波信号。其频率f＝3／（10R1C）。 
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。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 
我们采用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[3]。

总结

在本次课题设计中使用了ICL8038单片函数波形发生器，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。 

参考文献

[1]  康华光.电子技术基础数字部分（第五版) [M] .北京：高等教育出版社 ，2006.
[2]  张莉萍.电子技术课程设计实用教程 [M] .北京：清华大学出版社 ，2014.
[3]  罗杰，谢资美.电子线路设计·实验·测试（第四版）[M] .北京：电子工业出版，2008.
[4]  张文涛. PROTEUS仿真软件应用[M] .武汉 ：华中科技大学出版社，2010年.
[5] 王朱劳，周永金.模拟电子技术及应用[M] .西安：西安电子科技大学出版社，2007.

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