正弦波信号电路设计说明

正弦波、方波、三角波 信号电路设计

本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，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。

一、电源：

根据设计所要求的性能指标，选择集成三端稳压器。

因为要求输出电压可调，所以选择三端可调式集成稳压器。可调式集成稳压器，常见的主要有CW317、CW337、LM317、LM337。317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调围为1.2V~37V ，最大输出电流m ax O I 为1.5A 。稳压部含有过流、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。其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。LM317系列和LM337系列的引脚功能相同，管脚图和典型电路如图4-5和图4-6。

图4-5 管脚 图4-6典型电路 输出电压表达式为:

?

?? ?

?

+=11125.1R RP U o 式中，1.25是集成稳压块输出端与调整端之间的固有参考电压REF V ，此电压加于给定电阻1R 两端，将产生一个恒定电流通过输出电压调节电位器1RP ，电阻1R 常取值

ΩΩ240~120，1RP 一般使用精密电位器，与其并联的电容器

C 可进一步减小输出电压的纹

波。图中加入了二极管D ，用于防止输出端短路时10μF 大电容放电倒灌入三端稳压器而被损坏。

LM317其特性参数： 输出电压可调围：1.2V ～37V

输出负载电流：1.5A

输入与输出工作压差ΔU=U i -U o ：3～40V 能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

整体稳压电路原理图

二、主电路 〖方案一〗

由文氏电桥产生正弦振荡，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

文氏电桥振荡器正弦波发生器：

又称文氏电桥振荡器，如图1-3-1所示，其中A 放大器由同相运放电路组成，图3-4-2，

因此， )1(1

2R R

V V A d o v +==

图3-4-1

图3-4-2

F 网络由RC 串并联网络组成，由于运放的输入阻抗Ri 很大，输出阻抗Ro 很小，其对F 网络的影响可以忽略不计，从图3-4-3有

RC

j R C j R RC j R

V V F o

f v ωωω++

++==111

)

1

(3)1

)(1(2C

C R j R R

R

C

j R RC j R

ωωωω-+=

+++=

由自激振荡条件：T=AF=1有1)

1

(32=-+=C

C R j R R

A F A v v v ωω 所以上式分母中的虚部必

须为零，即 01

2=-C

C R ωω

RC 10=?ω振荡频率 上式的实部为1，即 13=?R

R

A v

3=?v A 起振条件

对图3-4-2同相运放， 1

21R R

A v += 须满足122R R =

以上分析表明： ①

文氏电桥振荡器的振荡频率RC

1

0=ω，由具有选频特性的RC 串联网络决定。

②

图中文氏电桥振荡器的起振条件为3≥v A ，即要求放大器的电压增益大于

等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，致使幅度下降而给予

补偿。但A比3大得多了会导致输出正弦波形变差。

图3-4-3

〖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：

⑴线性良好、稳定性好；

⑵频率易调，在几个数量级的频带围，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；

⑶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；

⑷三角波和方波在半周期是时间的线性函数，易于变换其他波形。

ICL8038 芯片简介

性能特点

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的频率输出围；工作变化周期宽，2％～98％之间任意可调；高的电平输出围，从TTL电平至28V；易于使用，只需要很少的外部条件。

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电源电压围宽，采用单电源供电时，V+-GND的电压围+10-+30V；采用双电源供电时，V+-V-的电压可在±5-±15V选取。电源电流约15mA。

（2）振荡频率围宽，频率稳定性好。频率围是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

ICL8038原理简介

ICL8038采用DIP－14封装，管脚如下图所示。芯片部包括两个恒流源,

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。

图7-3 ICL8038

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部供给，也可以由外部供给。在初始阶段我们用以下几种由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7-4-1为基本接法，图7-4-2和图7-4-3图可调节占空比。

图7-4-1 图7-4-2 图7-4-3

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6-1-1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7-1-4，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。