函数波形发生器的设计

函数波形发生器的设计 一、实验目的

拓展模拟集成电路的应用。 二、实验原理

在无线电通信，测量，自动化控制等技术领域广泛地应用着各种类型的信号发生器，常用的波形是正弦波，矩形波（方波）和锯齿拨。 随着集成电路技术的发展，已有能力同时产生同频的方波，三角波和正弦波的专用集成电路，称为函数波形发生器，如ICL8038。 1． 函数波形发生器

专用集成电路ICL8038就是一个函数波形发生器，其引出脚的排列及性能见附录一。典型应用电路如图5-2-1所示。

R

w110k

R

120k

-12v

方波

正弦波三角波

图5-2-1 ICL8038典型应用电路

ICL8038的内部原理见图5-2-2所示。

6

+

2

11

V

-

(或地)

CS

CS

S

图5-2-2 ICL8038内部原理框图

其基本工作原理如下。

CS1和CS2是两个恒流源，它们和外接的定时电容C组成积分电路。电平比较器1和2以及双稳态触发器组成积分电路的控制电路。定时电容C上的三角波经缓冲级后由3脚输出。双稳态电路输出的方波经缓冲级后由9脚输出。三角波再经过一个正弦波变换器后边为正弦波由2脚输出。若要提高正弦波输出的带载能力，则可再外接一级跟随器。

恒流源CS1与外接电容C固定连接在一起，而恒流源CS2则由双稳态电路控制的开关S来决定是否与电容C接通。若开关S断开，则只有CS1以电流I向电容C充电，电容C上的电压线性增大。当该电压上升到比较器1的阈值电平（电源电压的2/3）时，双稳态电路翻转，S接通，此时，恒流源CS2以电流2I向电容C反向充电，由于同时还存在着CS1的作用，所以电容C将以电流I放电，电容C上的电压线形减小。当该电压下降到比较器2的阈值电平(电源电压的1/3)时，双稳态电路复位，S断开，仅剩下CS1向电容C充电。如此反复，从而形成振荡。

由上述可见，只有当恒流源CS1=I，CS2=2I时，电容C的充、放电时间常数才相等，这时输出的三种波形均对称。不然，三角波将变为锯齿波，方波将变为矩形波(占空比>50%),正弦波将严重失真。电流源CS1和CS2的大小分别决定于外接电阻，即图5-2-1中的R4和R5。只有当R4=R5时才有CS1=I和CS2=2I，才能获得对称的三角波，方波和正弦波。电位器

R w4=1kΩ是用来调整输出波形的对称性，调整R w2和R w3可改善正弦波的失真。

ICL8038的输出频率是8脚上电压的函数，即它是一个压控震荡器。当8脚与7脚（扫频偏置电压≈-2.8V）相连时，输出频率是固定，若4，5脚的外接电阻相等均为R，则输出频率f=0.3/RC （5-2-1）

当8脚与一个连续可调的直流电压相连时，则输出频率连续可调。当此电压为最小值（近似为零）时，频率可达到很低。当此电压为最大时，频率最高，并且改变定时电容C的大小可改变最高输出频率。此连续可调电压由-12V电源电压经电阻R1和电位器R w1分压取得。而ICL8038的控制电压有效有效作用范围是0 ~ -3V，为此，选择适当的R1以保证最大控制电压为-3V左右。通常为保证调整的准确性，各电位器一般选择小型多圈式电位器。2．锯齿波，矩形波产生电路

如图5-2-3所示，这部分电路是由运放IC2构成的比较电路和由运放IC3构成的积分电路所组成。积分比较器后跟一级由运放IC4构成的跟随器，用以提高其带载能力。当R w6=0时，积分电容C6的充放电时间常数T2和T1相同，此时积分电路输出为三角波，比较电路输出为方波（占空比为50%），随R w6增大，积分电容C6的充电时间常数，即三角波的逆程时间T2增大（三角波的负斜率减小），于是原三角波变为锯齿波，原方波变为矩形波，如图5-2-4所示。

R

w5

20k

图5-2-3 锯齿波、矩形波产生电路

t

由图5-2-3可见，调节R w6可改变T 2及锯齿波周期T 的大小（积分电容C 6的放电时间常数T 1与R w6无关），相当于改变锯齿波的负斜率。矩形波的占空比以及它们的频率。调节R w2即可改变锯齿波的输出幅度，同时因改变了加于运放IC 2同相输入端电压，故又改变了T 1,T 2和T 的大小。

调节R w5可改变运放IC 2,IC 3和IC 4输出端的直流电平。

可以证明：若矩形波输出的峰-峰值为V p-p1,R w7滑动点上半部分值7w R ',下半部分的值为7w R '',

则锯齿波的峰-峰值V p-p2为

1p p 7w 7w 2p p V R /R V --'''=）（ 5-2-2 6127w 7w

1C R )R /R (2T '''=

5-2-3 6126w 7w 7w

2C )R R )(R /R (2T +'''=

5-2-4 T=T 1+T 2

5-2-5 )R 2R /()R R (T /T 126w 126w 2++=

5-2-6

3． 设计举例

⑴技术指标

a. 能输出频率f=20Hz~2kHz 并连续可调的正弦波，三角波和方波。 正弦波：峰-峰值 V p-p ≈3V , 非线形失真系数 γ≤5%

三角波 ：V p-p ≈5V 方波： V p-p ≈10V

b. 能输出频率f=20Hz~500Hz 并连续可调的锯齿波和矩形波 锯齿波：V p-p ≈3V ,负斜率连续可调.

矩形波：V p-p ≈12V ,占空比为50%~90%并连续可调

c. 能输出扫频波。 ⑵元器件参数确定

根据技术指标a 中对函数波形发生器最高工作频率f=2kHz 的要求，定时电容C3可由（5-2-1）式求得

C 3=0.3/f(R 4+0.5R w3)=0.029μF

取标称值C 3=0.022μF ，其标称值代码为223。

根据技术指标b 中对矩形波峰-峰值V p-p =12V 要求，选用稳定电压V z =6V 的bV2二只构成双向限幅器。有μA741的最大输出电压约为（Vcc-1.5V ）可得IC 2b 脚输出电阻为V b =10.5V(Vcc=12V).bV2的稳定电流I z ≈5mA ，故限流

Ω=+-=

720I )

V V (V R z

d z b 10

取标称值750Ω或820Ω均可。

根据锯齿波斜率连续可调的要求，二极管D 1和D 2在电路中的极性如图5-2-3所示，可选用一般的开关二极管IN4148.

根据ICL8038控制电压的有效作用范围0 ~ -3V ，应调节R w7使锯齿波的峰-峰值V p-p2≈3V ，调节R w5使IC 3输出端的直流电平近似等于-1.5V 。 根据V p-p1=12V ,V p-p2=3V ,由5-2-2式求得

4

1V V R R 2p p 1p p 7w 7w

=='''--

当R w6=0时，锯齿波的频率最高，且T 1=T 2=T/2.根据对锯齿波最高频率500Hz （即T=1/500）的要求，可知T 1=1/1000.由5-2-3式求得

37w 7w

1

612102)R /R (2T C R -?='''=

积分电路中的电阻R 12若取值过大，运放输入电流的影响将不可忽视；反之取值太小，流过积分电容C 6的电流会超出运放的输出能力，故在此取R 12=10k Ω, 则 C 6=0.2μF

取标称值C 6=0.15μF,代码为154

根据对矩形波最大占空比T 2/T=90%的要求，由（5-2-6）式求得R w6=8R 12=80k Ω. 取R w6=100 k Ω,电位器阻值代码为104。

作偏置用的电位器R w5和作分压用的电位器R w7一般为几十k Ω~几百k Ω，在此取 R w5=20k Ω,R w7=100k Ω ⑶总电路图

设计举例参考图见图5-2-5，当开关k 打到2位时，ICL8038输出的是扫频信号。一般选正弦型的扫频信号用。R w8=100k Ω是用来改善低频端波形的对称性。

R

图5-2-5 设计举例参考图

⑷安装与调试

通常，安装在面包板上进行。如果考虑到可靠性要求，可采用印制板走线方式，进行焊接，布线与走线要求详情可参考有关书籍。为了便于检查，一般采取分块方式，即每个单元（常以集成电路的中心分）相对集中，各单元间界限明确。这样，对调试电路大有好处，因为我们常用也是以单元为中心调试，每级都调好，再连起总调。调试前先应从外观上检查有无明显的走线错误，元器件型号与电路图是否一致，电容，电阻标称值与要求是否一致等。

a.将k置于1，将整个电路分成函数波形发生器部分和锯齿波，矩形波发生器部分。○1函数波形发生器

首先，观察有无输出波形。若有，调各电位器，使输出符合设计要求。应注意，有振荡波形时，先改变R w1使频率调至约1kHz（工作带宽的一半），再将正弦波波形调好，最后波形从低频到高频变化，对称不好时调R w4或R w8。

若无波形产生，则要先测量ICL8038的各脚，看是否与设计相吻合。找出故障所在之处，建议调试前一定要熟悉原理，这样可以少走弯路。

○2锯齿波，矩形波发生器

观察电位，调R w5使IC2 9脚直流电位为零，则8脚应有波形。调节R w7使锯齿波的输出峰-峰值为3V。改变R w6，其频率变化范围应符合技术指标，否则调整积分电容C的大小。都正常后，改变R w5使IC3 7脚输出电平为负，约为-1.5V，或者看波形直流分量时，波形最高点电压值为零。

若无波形，则测量各级和运放各脚电位，分析判断故障所在之处。

b.将锯齿波频率条到调到最低，k置2，观察扫频波。

正常的扫频波，频率应连续变化，周期无间断。若有，可适当调节R w5和R w7，范围不可太大。即可。

注意，用示波器观察波形时输入选择方式一律选择DC方式，以波形损耗造成错误结果。

三、设计任务

1．技术要求

⑴输入正弦波，方波，三角波

频率为2kHz~20kHz并连续可调；

正弦波输出的峰-峰值U p-p≈3V,非线形失真系数≤5%；

⑵输出矩形波，锯齿波

频率为20Hz~500Hz并连续可调；

矩形波的U p-p≈12V，占空比为50%~90%并连续可调；

锯齿波的U p-p≈3V，负斜率连续可调

⑶输出扫频波

⑷用±12V电源供电。

2．完成要求

⑴基本要求

能基本独立设计并完成技术要求中的⑴项或⑵项，指标符合要求。

⑵一般要求

能基本独立设计并完成技术要求中的⑴项和⑵项，并能兼顾⑶项内容，指标符合要求。

⑶特殊要求

独立设计并完成技术要求全部内容，写出调试步骤，并能给出正常和不正常时的处理方法。常见故障可能有哪些，如果锯齿波该成正斜率连续可调，如何实现，并将完成结果写出报告。

3．预习要求

⑴各类集成运放构成的波形产生电路及其原理

⑵一般放大电路和波形产生电路的设计方法。

⑶模拟电路的一般设计方法，电路安装，调试与总结。

四、调试要点

1．对电路进行最后一次检查，主要是各器件型号与位置应正确，正负电源线不应错误，电解电容器极性不能接反，高电位接上，低电位接负。

2．将k置1，电路分成两部分分别调试。

3．正确连接正负电源端，最好电路板上作标记，以防接错，电压为±12V。

4．接通电源，静观几分钟，无异常，即进入调试。

5．全部调试完成后，测量各项指标，应符合技术指标，最后将每段电位和相应波形记录下来，作为正确结果，写入报告。

五、设计报告要求

1．设计技术指标

2．说明函数波形发生器和矩形波，锯齿波发生器的组成及工作原理，并绘出原理框图。

3．主要电路的设计计算和元器件选择

4．各项测量数据及技术指标的实测结果。

5．拟订调试步骤。

6．画出实际电路图。

7．讨论与分析。就主要故障进行分析，并能回答思考题。

六、思考题

1．如何适当提高正弦波输出的电压幅度和带载能力？

2．如果要求函数波形发生器输出信号的频率为0.1Hz~20kHz，则应如何设计？

七、主要仪器及器件

1．主要仪器设备

⑴双踪示波器一台

⑵双路直流稳压电源一台

⑶*数字万用表一块

⑷* 失真度测量仪一台

⑸实验板一块

2．主要元器件

⑴ICL8038 一片

⑵LM324 一片

⑶或选用μA741 4片

⑷6V温压管bV2 3只

⑸开关二极管IN4148 2只

⑹各阻值多圈电位器 10只

⑺电阻，电容，导线若干

*注：也可以不要，用示波器代替，人眼观察即可。