函数信号发生器的设计.doc

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1、成绩课程设计说明书题 目： 函数信号发生器的设计 课程名称： 模拟电子技术 学 院： 电子信息及电气工程学院 学生姓名： 学 号： 201102010063 专业班级： 自动化2011级2班 指导教师： 赵路华 2013年 6 月 7 日课 程 设 计 任 务 书设计题目函数信号发生器设计学生姓名张筱璐所在学院电子信息与电气工程学院专业、年级、班自动化2011级2班设计要求：1、设计制作一个函数发生器电路；2、电路能输出正弦波、方波和三角波三种波形；3、输出信号的频率要求可调；4、输出波形的幅度可调。学生应完成的任务：设计一个函数发生器电路，并利用Proteus软件进行电路仿真。利用DXP软件

2、绘制电路原理图，并设计制作电路的PCB板。根据设计原理对电路进行安装调试，完成课程设计工作，并提交课程设计报告。参考文献：1 童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术M.北京：北京大学出版社，2012.3 邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社，2005工作计划：5月27日29日完成原理图的设计；5月29日31日进行PCB设计；6月3日号4日制作PCB板；6月5日7日电路板安装与调试，提交课程设计报告。任务下达日期： 2013年5月27 日任务完成日

3、期： 2013年6月 7日 指导教师（签名）： 学生（签名）：函数信号发生器设计摘 要：本次设计了函数发生器电路，电路能输出正弦波、方波和三角波三种波形，输出信号的频率和幅度均能调节。该电路包括两部分，一是由ICL8038组成的8038集成函数发生器，该部分可以输出正弦波，方波，三角波三种波形，且频率在10Hz11kHz之间，可以通过电位器进行调节频率和占空比;二是由集成运放ua741组成的放大电路，该部分能对输出的信号进行放大，幅值范围为0- 22V。关键词：ICL8038；ua741；波形；原理图；封装；PCB目 录1. 设计背景11.1 设计建议11.2 设计可行性研究12.设计方案12

4、.1 ICL8038简介12.2函数发生器工作原理22.3放大器工作原理43. 方案实施73.1仿真过程73.2仿真结果73.3利用DXP软件制作PCB83.4制作实物104. 结果与结论115. 收获与致谢126. 参考文献127. 附件131. 设计背景1.1 设计建议函数信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的正弦波和矩形波、三角波是常用的基本测试信号。在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波信号产生器作为时基电路。对于三角波，方波同样有重要的作用，而函数信号发生器是指一般能自动产生方波 正弦波 三角波以及锯齿波阶

5、梯波等电压波形的电路或仪器。因此，建议开发一种能产生方波、正弦波、三角波的函数信号发生器。1.2 设计可行性研究函数信号发生器根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，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，开发新款式函数信号发生器，器件的可选择性大幅增加，本次用到的ICL8038就是一种技术上很成熟的可以

6、产生正弦波、方波、三角波的主芯片。所以，选择的方案在技术上是可行的。2.设计方案2.1 ICL8038简介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、方波与脉冲波等波形。（1）ICL8038电源电压范围宽，采用单电源供电时，VCC、GND的电压范围为+10-+30V；采用双电源供电时，VCC-VEE的电压可在5-15V内选取。电源电流约15mA。（2）振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是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，失真度还可低到0.5%。三角

7、波的线性度高达0.1%。（4）矩形波占空比的调节范围很宽，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采用DIP14封装，芯片内部包括两个恒流源,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

8、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。2.2函数发生器工作原理ICL8038是单片集成函数发生器，其内部原理电路框图如图1。在图1中，ICL8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器等组成。电压比较器I1、I2的门限电压分别为2VR/3和VR/(VR=VCC+VEE)，电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电

9、容两端电压VC随时间线性上升，当VC上升到VC=2VR/3时，比较器I1输出发生跳变，使触发器输出端Q由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2I1，因此电容C放电，Vc随时间线性下降。当Vc下降到VcVR/3时，比较器I2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，Vc又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡，若I2=2I1，Vi上升时间与下降时 图1 间相等，就产生三角波输出到脚。而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。因此，ICL808能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形。 其中，振荡电

10、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

11、中很容易获得3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，我们选择RA=RB=4.7K，C=0.1uF。因此，对两个恒流源在I和2I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，就可获得三角波等函数信号。

12、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。ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。一般说来，逼近点越多得到的正弦波效果越好，失真度也越小，在本芯片中N4，失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达05左右。其精度效果相当满意。为了减小正弦波失真，在管脚11和12之间的电阻最好是可变电阻。这种安排使失真少于1%是可以达到的。ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，也可双电源供电，他们的值为5-15 V，我们取12 V，输出矩形波的占空比可调范围为590。由于IC

13、L8038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22.3放大器工作原理为了实现输出信号幅度可调，可以加入运放741来实现，采用反相放大比例电路，接法如下图3所示：图3反相输入放大电路如图3所示，信号电压通过电阻R2加至运放的反相输入端，输出电压Vo通过反馈电阻R1反馈到运放的反相

14、输入端，构成电压并联负反馈放大电路。利用虚短和虚断的概念进行分析：Va=0,V1/R2=-V0/R1,则Vo=-IR1=-R1V1/R2放大倍数为Au=-R1/R2综合来看可以得到如下的电路图：图4图中，Rp2为可调式电阻，调节能改变振荡频率以及矩形波的占空比。时电接口1所接的100K可调式电阻用来调整正弦波的失真。由于第9脚为集电极开路输出，必须外接集电极负载电阻R=4.7K。该电路适合对振荡器作小范围调整（R是调节电阻），并使正弦波的失真度减小到0.5%以下，R p3、R p4为失真度调节电阻。ua741运放可调节输出幅度，最大可放大5倍。电路供电电压+12V、-12V，幅值理论上为24V

15、。电路输出频率范围为10Hz11kHz。根据ICL8038的内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为： T1/T=(2RA-RB)/2RA=50%此时输出为对称的方波、三角波和正弦波，还可通过RP2进行调节。电路的振荡频率为f=1/T=I1(1-I1/I2)/VhC,其中Vh为比较器的上下限电压差值，即：2VCC/3-VCC/3=VCC/3。电路设计通常取I2=2I1，因此电路的振荡频率应为：f=1/T=I1(1-I1/I2)/VCC/3=3I1/2VCC特别，当R1=R2=R时，I2=2I，即t1=t2，D=50%，此时输出为对称的方波、三角波和正弦波。式子化简成: fo=0.3/RC

16、如果在把第4、5两脚短接，经过一只公用的定时电阻R接VCC，振荡频率的计算公式 : fo =0.15/R从8脚外加电位器调节电流大小以改变电路振荡频率。注意事项：（1）用单电源供电时，三角波和正弦波的平均值等于VCC /2，而方波幅度为 +V。用双电源供电时，所有输出波形相对于地（GND）电平均是正负相称的。 （2）方波输出的电压幅度不受+V的限制，也可以把负载电阻R4改接其它电源电压VCC上，但VCC不得超过+30V。 （3）为减小正弦波的失真，可将图4中的R3（1K）换成10K电阻。图4电路对振荡器作小范围调整（R是调节电阻），并使正弦波的失真度减小到0.5%以下，R4、R7为失真度调节电

17、阻。3. 方案实施3.1仿真过程选用Proteus软件进行仿真，由于是第一次使用Proteus软件，所以对于一些器件不知道名称，可去百度上搜索元件名称然后在元件库中选取。按照图4在元件库中找到各个元件，要注意布局，尽量美观，还要注意连线时不要出现错误的交叉节点，这就要求正确选择各个元件的位置，结果如图5所示：图53.2仿真结果运行所设计的电路，观测示波器的波形，调节滑动变阻器Rw1可以调节三种波的幅度，频率可通过调节各个滑动变阻器来实现。期间出现一个问题，当第一次仿真结束，进行第二次仿真时，点击左下角仿真按钮后，不出现示波器界面，然后去百度搜索可以解决，在上方工具栏点“调试”按钮，点击最下面的

18、示波器选项，就可以显示了。其结果如图6所示。图63.3利用DXP软件制作PCB 由于DXP中也没有ICL8038芯片，这为制作PCB带来了困难，曾经想过自己制作8038的PCB封装模型，但是不知道它的具体参数。后来在Proteus中找到ICL8038的封装，测量参数知，两个焊盘间距50mil，总长300mil，宽度100mil，焊盘中心到每侧边界距离是50mil。在DXP中寻找DIP-14型元件，测量其封装参数，经选择找到封装与ICL8038类似的DIP-14型元件SW DIP-7，用其代替ICL8038制作原理图。在选择开关时，之前一直用的是单刀单掷开关，在本次课程设计中没有采购单刀单掷开关

19、，故用一个HEADER 32代替之前的三个单刀单掷开关。另外还必须考虑到电源的问题，所以加上一个HEADER3，最后的原理图如下图9所示：图7将原理图导入PCB中,由于对板子外形有要求10cm5cm，所以可用PCB向导来规定一个工作区域。另外按照课程设计要求，修改规则单位采用公制单位（mm）。电源线和地线要求采用0.8mm或是0.6mm,如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。信号线采用0.5mm。如果从两个焊盘中间穿过时用0.4mm或0.3mm。焊盘的内径用0.9mm或0.85mm。外径根据需要进行修改，一般为X方向1.6 mm，Y方向2.0mm，或是X方向2.0 mm，Y方向1.

20、6mm。对于修改线的宽度可有两种办法：一是在工具栏中点击设计规则width,修改为min为0.3mm，max为0.8m，preferred为0.5mm，然后在width中添加电源规则，使电源线宽度为0.8mm。二是连线结束后，在空白处点击右键选择相似对象，点击电源线，在弹出的界面中VCC后选择same，然后查找，再统一修改电源线。但是第二种方法会使你的连线出现错误，因此建议使用第一种方法。由于该设计使用的是单层板，所以可以在规则中选择Routing Layers不允许顶层布线。准备工作做好后调整元件位置，争取连线不出现交叉后进行布线，曾经尝试自动布线，但是自动布线结果不令人满意，所以要手动布线

21、。布线时不允许出现交叉线，布线完成后在工具中选择设计规则检查，检测没有错误后补加泪滴。结果如图8：图83.4制作实物 打印PCB结果，如图9。用塑模机进行塑模处理，要注意塑模机必须预热，否则效果不好，电路印不上去。然后用盐酸和双氧水混合溶液腐蚀出通路，盐酸与双氧水比例大概在1:1，水要多加。领取元器件，对照PCB安放器件，然后焊接，在焊接的过程中，当两个焊盘中间经过导线的情况不容易焊接，不能让焊点与铜线有交叉，否则容易短路，明白了为什么在布线的时候，穿过焊盘的信号线要细于一般信号线，这是为了在焊接的时候避免出现错误。在设计时候没有考虑到输出情况，缺少输出线，用跳线代替。另外还有一个小问题，在制

22、作原理图时，由于把两个电阻都命名为R1，于是在制作PCB时候，以为两个R1重复，删去了一个电阻，导致焊接实物时多出来一个电阻，不得已直接焊接到电路板后面。在以后的学习过程中，要细致认真，不能再出现这种错误。实物如图10：图9图104. 结果与结论 调试中，要注意电源接口的正负极还有接地分别是哪个端口，不要接错，以免接错出现短路，烧坏器件。由于事先没有考虑好电源问题，导致正负电源接口靠的过紧，给接线带来一定的麻烦。对于开关也只好用一根导线来接触HEADER的两端来切换三种波形。在调试中出现以下问题：1、正弦波波形左、右倾斜失真现象。2、电路输出的方波波形幅值范围应为0- 22V，实际最大只能调到

23、19V左右。3、电路输出频率范围为10Hz11kHz，实际最大只能调到10kHz左右。误差原因分析：正弦波输出波形左、右倾斜是因为其占空比值非50%。ICL8038芯片4脚和5脚之间的电位器Rv1用于占空比调整，调节该电位器可以改变输出波形的左、右斜度。可以先将波形选择开关接至方波方式，调节电位器使方波占空比为50%，然后再将开关切换回正弦波方式，可以观察到波形左右对称。实验电路供电电压+12V、-12V，幅值理论上为24V，实际能达到的最大值在1619V之间，误差原因是芯片内部的晶体分压，产生削顶，导致幅度没有达到预期要求。还有可能是在焊接过程中出现虚焊现象，可以检查焊点是否牢固。在调试中不

24、要长时间给电路供电，以免出现芯片过热，烧坏芯片。5. 收获与致谢在本学期的课程设计中，我组成员选了函数信号发生器这个课题进行设计，最后经过完整的设计方案和思路，取得了预期的效果。在改系统的设计期间，指导老师赵路华给予了我组成员极大的帮助，使我们受益匪浅。我们系也非常重视我们专业的实践操作能力，给我们提供了很好的硬件平台，其中包括元器件的供给和各类仪器仪表的使用，这让我们能专心致志地投入到课程设计当中，对我们能力的提高起很大的促进重用。当然，这次课程设计也得到了很多同学的帮助，特别是张栋同学正是因为有了他的帮助，才让我们不仅学到了本次课题所涉及的知识，更让我们感觉到了知识以外的东西，那就是团结的

25、力量。最后，我们要向赵老师以及给过我们帮助的老师同学表示感谢。6. 参考文献1 童诗白.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，2005.2 秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术M.北京：北京大学出版社，2012.3 邱关源，罗先觉.电路（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.4 阎 石.数字电子技术（第五版）M.北京：高等教育出版社，20057. 附件图11 电路仿真图 图12 DXP原理图 图13 PCB封装图元件清单：名称型号数量集成函数发生器ICL80381片集成运放Ua7411片电位器100K2个电位器50K1个电位器10K1个电位器1K1个电阻20K1个电阻10K5个电阻4.7K2个电容1042个开关Header3X21个电源Header21个表1指导教师评语：课程设计报告成绩： ，占总成绩比例： 40 课程设计其它环节成绩：环节名称： 原理设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称： PCB设计 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 环节名称： 安装调试 ，成绩： ，占总成绩比例： 20 总 成 绩： 指导教师签字：年 月 日本次课程设计负责人意见：负责人签字：年 月 日