函数波形发生器

函数波形发生器的设计一、验目的1、学习函数波形发生器的设实计方法；2、了解单片函数发生器ICL8038的工作原理及应用；3、掌握函数波形发生器电路的调试及主要指标的测试方法；4、研究函数波形发生器的设计方案。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。ICL8038Rw110kR120kRw2100kR210kRw3100kR310kC10.1uC20.1uC30.022uC410uR46.2kR56.2kRw41kR610k-12v方波正弦波三角波123456789101112图5-2-1ICL8038典型应用电路+ICL8038的内部原理见图5-2-2所示。比较器1比较器2缓冲器1双稳电路缓冲器2正弦波变换器6V+3三角波2正弦波9方波11V-(或地)21/3（电源电压）2/3（电源电压）1CCS1CS2S10I2I图5-2-2ICL8038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Rw4=1kΩ是用来调整输出波形的对称性，调整Rw2和Rw3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Rw1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Rw6=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Rw6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。Rw520k23-+746R10750Dw1Dw22*bv2R1110kD1IN4148Rw6100kD2IN4148R1210kC60.15uRw7100kC710uVEE-12vVCC+12vC810u+-2374632-IC2IC3+IC4uA741uA741图5-2-3锯齿波、矩形波产生电路++T2T1TVp1-Vp2-0Vp2+Vp1+V放电充电t图5-2-4锯齿波和矩形波由图5-2-3可见，调节Rw6可改变T2及锯齿波周期T的大小（积分电容C6的放电时间常数T1与Rw6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Rw2即可改变锯齿波的输出幅度，同时因改变了加于运放IC2同相输入端电压，故又改变了T1,T2和T的大小。调节Rw5可改变运放IC2,IC3和IC4输出端的直流电平。可以证明：若矩形波输出的峰-峰值为Vp-p1,Rw7滑动点上半部分值7wR,下半部分的值为7wR,则锯齿波的峰-峰值Vp-p2为1pp7w7w2ppVR/RV）（5-2-26127w7w1CR)R/R(2T5-2-36126w7w7w2C)RR)(R/R(2T5-2-4T=T1+T25-2-53．设计思路⑴技术指标a.能输出频率f=2kHz~20kHz并连续可调的正弦波，三角波和方波。正弦波：峰-峰值Vp-p≈3V,非线形失真系数≤5%b.能输出频率f=20kHz~500kHz并连续可调的锯齿波和矩形波矩形波：Vp-p≈3V,负斜率连续可调.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=20kHz的要求，定时电容C3可由（5-2-1）式求得C3=0.3/f(R4+0.5Rw3)=0.029F取标称值C3=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Vp-p=12V要求，选用稳定电压Vz=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IC2b脚输出电阻为Vb=10.5V(Vcc=12V).bV2的稳定电流Iz≈5mA，故限流720I)VV(VRzdzb10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D1和D2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Rw7使锯齿波的峰-峰值Vp-p2≈3V，调节Rw5使IC3输出端的直流电平近似等于-1.5V。根据Vp-p1=12V,Vp-p2=3V,由5-2-2式求得41VVRR2pp1pp7w7w当Rw6=0时，锯齿波的频率最高，且T1=T2=T/2.根据对锯齿波最高频率500Hz（即T=1/500）的要求，可知T1=1/1000.由5-2-3式求得37w7w1612102)R/R(2TCR积分电路中的电阻R12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C6的电流会超出运放的输出能力，故在此取R12=10kΩ,则C6=0.2μF取标称值C6=0.15μF,代码为154作偏置用的电位器Rw5和作分压用的电位器Rw7一般为几十kΩ~几百kΩ，在此取Rw5=20kΩ,Rw7=100kΩ⑶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。Rw8=100kΩ是用来改善低频端波形的对称性。Rw520k9104118R10750Rw6100kIN4148D2D1In4148R1110kDw12*6v2Dw2R1210k2/4LM3247C60.15u2311/4LM324Rw110k121312R131kC5100014R210kRw2100kRw3100kR310kC10.1u0.1uC2C30.022uC410uR141kR46.2kRw41kR56.2kR151MRw8100kR610kC810uC710uRw7100kR120k+-+-+-+-56VEE-12v+12vVCC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Rw1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Rw4或Rw8。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Rw5使IC29脚直流电位为零，则8脚应有波形。调节Rw7使锯齿波的输出峰-峰值为3V。改变Rw6，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Rw5使IC37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Rw5和Rw7，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Up-p≈3V,非线形失真系数≤5%⑵输出矩形波，锯齿波频率为20kHz~500kHz并连续可调矩形波的Up-p≈12V锯齿波的Up-p≈3V，负斜率连续可调⑶输出扫频波⑷用±12V电源供电四、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μA7414片⑷6V温压管bV23只⑸开关二极管IN41482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。八．总结设计电路的优点缺点优点:此系统中的元件部分属于高精度电器元件，使德系统灵敏度很高，（但对电路中的各个连接部分参数精度也有很高的要求）同时温度的测量范围也很大缺点：电路中，元器件的过多，过于繁杂，使得电