非常有用的ICL8038信号发生器设计文稿要点.pdf
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1、引 言 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。 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
2、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
3、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 发生电路。 一. 课题方案设计与选择 (一)函数信号发生器的设计方案 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。此方案中函数发生器电路组成框图如图1.1 所示。 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
4、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。 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1.2 所示。 频率选 择控制三角波 正弦波 幅度控制 直流电源 方波 图 1.2 由 8038构成的函数发生器电路组成框图 ICL 8038 图 1.1 函数发生器电路组成框图 (二)方案选取 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利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
5、来产生产生正弦波、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。 二. 电路的设计过程与分析 (一)电路设计原理图及与应用要点 1. 函数信号频率和占空比的调节 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。 图 2.1 为几种由内部供给偏置电压调 节的接线图。 在以上应用中, 由于
6、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: Tt1t2f 1T (2-1-1) 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 图 2.1ICL8038 典型应用 3 倍,分得的时间为: t1=CV/I=(C+1/3 VccRA)/(1/5Vcc)=5/3RAC (2-1-2) 在电容放电时,电压降到比较器输入电压的13 时,分得的时间为: t2CV I (C13VCC)( 25VCCRB15VCCRA) (35RA RBC )( 2RARB)(2-1-3) f
7、 1(t1t2)35RAC1RB(2RAR) (2-1-4) 对图 2.1 最左视图中,如果 RARB,就可以获得占空比为50的方波信号。 其频率 f 3(10RAC) 。 2. 函数发生器原理图 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 2.2 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
8、的效果,图2.2 即为产生三种波形的函数发生器的原理图。 图 2.2 函数发生器原理图 (二)电路主要芯片的分析 1.ICL8038 管脚功能图及实物图 图 2.3 为 ICL8038 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 10V18V;脚 7(FM Bias) :内部频率调节偏置 电压输;脚 8(FM Sweep
9、):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。如图 2.4 所示。 2.ICL8038 的性能特点 (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 01高线性度。 (4)具有 0001Hz 1MHz的频率输出范围;工作变化周期宽。 (5)298之间任意可调;高的电平输出范围。 (6)从 TTL电平至 28V。 2.3 ICL80
10、38实物图 图 2.4 ICL8038 管脚图 (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.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 2.5 所示。它由恒流 源 I1和 I 2、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。 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
11、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23 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13 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 图 2.5 ICL8038 内部原理框图 电过程的时间常数相等, 而且在电容器充放
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