基于ICL8038的信号发生器的设计说明书

可编辑版目录1技术指标12设计方案及其比较12.1方案一12.2方案二32.3方案比较43实现方案54调试过程及结论65心得体会166参考文献179 / 10可编辑版基于ICL8038的信号发生器的设计1技术指标设计、组装、调试信号发生器电路,使它能输出正弦波、方波和三角波；其频率在20-20kHz范围内可调；输出电压：方波Up-p4V,三角波Up-p=6V,正弦波Up-p=1V。2设计方案及其比较2.1方案一分采用立器件实现电路组成,主要部件有电压迟滞比较器、积分运算电路、uA741运算放大器、选择开关、电位器和一些电容、电阻、二极管组成。该方案有三级单元电路组成的,第一级单元可以产生方波,第二级可以产生三角波,第三级可以产生频率可变的正弦波,产生频率可变的正弦波比产生频率可变的方波更困难,第三级电路能将正向和负向的三角波转换成正弦波。电路原理图如图1所示：图1 电路原理图工作原理：通过迟滞比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,正弦波产生电路实际上是一个增益与输出电压幅度成反比例变化的放大器。两个10k欧的电位器RP4和RP5设定了输出电压过零点附近的斜率。当输出电压增加时,RP4应调整到二极管VD3VD6开始正偏。为了得到正弦波平滑变化的顶部,电位器RP3应细心调节,并仔细选配二极管VD1和VD2.用双踪示波器来观察输入和输出,仔细调节RP3、RP4和RP5,可使正弦波调节到最佳状态。计算公式：当U1与U2分开时,U1、R1、R2、R3、RP1组成电压比较器,运放U2与R4、RP2、C1与R5组成方向积分器,其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为：当Uo1=+Vcc=+12V时当Uo1=-VEE=-12V时（2） 若比较器与积分器首尾相连,形成闭环回路,则自动产生方波三角波。三角波幅度为：方波-三角波频率为：仿真波形如图2所示：图2 方案一仿真波形信号频率在20Hz20kHz可调。2.2方案二基于NE555的信号发生器设计,电路原理图如图3所示：图3 NE555函数信号发生器原理图工作原理：555定时器接成多谐振荡器工作形式,C2为定时电容,C2的充电回路是R2R1RPC2；C2的放电回路是C2RPR1IC的7脚。由于R1+RPR2,所以充电时间常数与放电时间常数近似相等,由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数,调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R3、C5积分网络后,输出三角波。三角波再经R4、C6、R5、C7积分网络,输出近似的正弦波。C1是电源滤波电容。NE555的主要特点：1.只需简单的电阻器、电容器,即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广,可由几微秒至几小时之久。2.它的操作电源范围极大,可与TTL,CMOS等逻辑电路配合,也就是它的输出电平及输入触发电平,均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3.其输出端的供给电流大,可直接推动多种自动控制的负载。4.它的计时精确度高、温度稳定度佳,且价格便宜。仿真波形如图4所示：图4 方案二仿真波形信号频率在20Hz20kHz可调。2.3方案比较方案一的优点是：线性良好、稳定性好；频率易调,在几个数量级的频带范围内,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；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；三角波和方波在半周期内是时间的线性函数,易于变换其他波形。但器件较多,较分散不易集成,方案二电路比较简单,费用便宜,但是波形不理想；所以选择基于ICL8038设计方案更合理,电路结构也相对简单,易于实现。3实现方案基于ICL8038的信号发生器设计,电路原理图如图5所示：图5 ICL8038函数信号发生器原理图工作原理及参数计算：为了使振荡信号获得最佳的特性,流过ICL8038集成电路的4号脚和5号脚的电流不能过大或过小。若电流过大,会使三角波的线性变坏,从而会导致正弦波失真度增大；若过小则电容的漏电流影响变大。最佳电流为1A1mA。电阻R满足下列关系：若选择Vcc=12V,则电阻R最佳的变化范围为1.2k1200k。因为,取C1=4700pF,当时,取。现选择一电位器RP1与R1相串联,取RP1=56k。当电位器RP1+R1最大时,振荡频率。可见不满足设计任务书最低频率的要求。为此要再增加一组振荡电容C2。取C2=0.15F。当调节RP1=0时,。所以当转换开关K接入不同电容时,调节电位器RP1,输出振荡频率分别为17Hz666Hz和555Hz21kHz。为了提高信号源的带负载能力,可使三角波、正弦波信号经由LM318高速运算放大器放大后输出。调节RP3、RP4,可调节信号输出幅度。测试电路布线图如图6所示：图6 测试电路的布线图4调试过程及结论由于实际制作时给出的元件有限,我们在制作时对电路图进行了修改,实际电路原理图如图7所示：图7 实际制作时的ICL8038电路原理图详细了解了面包板的使用方法之后,按照实现方案原理图在面包板上完成布。给电路提供工作电压VCC和VEE的大小控制在12V左右,选择输出端并接入示波器,观察输出的波形,示波器上出现的方波、三角波和正弦波波形都非常理想,但输出电压没有满足要求,经过讨论后,我们在输出端接了一个分压电路,通过改变分压电路电阻阻值,输出电压可以逐个满足条件。在易老师检查之后,我们开始测量其他频率波形,后发现低频段波行虽能调出但失真严重。经过计算发现芯片10脚的0.1uF电容太小,如果换一个0.15uF的电容低频波形会更完美,也没有找到更合适的电容,不过带入理论计算还是基本符合。最后我们组经过两个半小时的调试和测量得到了实验所需波形及数据。调试结果如下:图8 方波输出波形由图8可以看出,方波频率为778.8kHz,Vpp=3.68V,此时各滑动变阻器阻值如表1所示。表1 各滑动变阻器阻值方波,频率778.8HZ,10号脚接入电容0.01F电阻名称阻值K7.722.260.590.2913.282.760.939.4图9方波输出波形 由图9可以看出,方波频率为20.38kHz,Vpp=3.60V,此时各滑动变阻阻器值如表2。表2 各滑动变阻器阻值方波,频率20.38kHZ,10号脚接入电容0.001F电阻名称阻值K7.632.420.590.2913.282.760.939.4图10 方波输出波形由图10可以看出,方波频率为51.65Hz,Vpp=3.64V,而且波形出现失真,此时各滑动变阻器阻值如表3。表3 各滑动变阻器阻值方波,频率51.65HZ,10号脚接入电容0.1F电阻名称阻值K9.920.090.590.2913.282.760.939.4图11 三角波输出波形由图11可以看出,三角波频率为3.177kHz,Vpp=6.00V,此时各滑动变阻器阻值如表4。表4 滑动变阻器阻值三角波,频率3.177kHZ,10号脚接入电容0.01F电阻名称阻值K9.790.240.590.2913.282.743.556.8图12 三角波输出波形由图12可以看出,三角波频率为20.08kHz,Vpp=6.00V,此时各滑动变阻器阻值如表5。表5 各滑动变阻器阻值三角波,频率20kHZ,10号脚接入电容0.001F电阻名称阻值K7.902.020.590.2913.282.743.556.8图13 三角波输出波形由图13可以看出,三角波频率为19.28Hz,Vpp=2.66V,而且波形出现失真,此时各滑动变阻器阻值如表6。表6 各滑动变阻器阻值三角波,频率19.28HZ,10号脚接入电容0.1F电阻名称阻值K9.790.240.590.2913.282.743.556.8图14 正弦波输出波形由图14可以看出,正弦波频率为551.9Hz,Vpp=1.00V,而且波形出现失真,此时各滑动变阻器阻值如表7。表7 各滑动变阻器阻值正弦波,频率551.9HZ,和、10号脚接入电容0.01F电阻名称阻值K7.722.260.590.2913.282.760.939.4图15 正弦波输出波形由图15可以看出,正弦波频率为20.28kHz,Vpp=1.00V,此时各滑动变阻器阻值如表8。表8 各滑动变阻器阻值正弦波,频率20kHZ,10号脚接入电容0.001F电阻名称阻值K7.722.260.590.2913.282.743.556.8图16 正弦波输出波形由图16可以看出,正弦波频率为72.89Hz,Vpp=1.01V,此时各滑动变阻器阻值如表9。表9 各滑动变阻器阻值正弦波,频率72.89HZ,10号脚接入电容0.1F电阻名称阻值K7.722.260.590.2913.282.760.939.4结论：三个波形在100Hz20kHz频率范围内输出波形完美,但在20Hz100Hz频率范围内波形出现失真,而且频率越小是越严重,说明芯片10脚的0.1uF的电容太小,如果换一个0.15uF的电容低频波形会更完美。结果表明ICL8038还没有发挥到它最好的性能,这也和我们的布线有部分的关系,电阻电容的选择略有欠缺,这都是急需锻炼和培养的。5心得体会 本次电子综合实训,我选择了基于ICL8038的函数信号发生器,接到任务书后,我首先到图书馆借阅了相关书籍,经过对比与思考,我从三个不同的思路设计了三个方案：方案一主要用到了集成运放,方案二主要用了NE555芯片,方案三主要用了ICL8038芯片。为了更好地符合设计要求,我在Protues上完成了三个电路的仿真模拟,期间遇到了问题,及时查阅资料并进行修正与改进,所以在实验室调试过程中我们只遇到了一些小问题,很快就完成了调试及相关数据的测量。此次电子综合实训感悟颇多,现将心得体会总结如下：1在拿到设计方案后,不要急于着手设计,应先深刻解设计要求,然后再查阅相关资料,这样设计起来会事半功倍。在查阅相关资料时我们应筛选出多种方案,然后进行比较,选出和实验设计要求最相关的方案,然后再根据具体要求进行改进。2方案确定后,设计时应遵循先总体考虑再纠正个别问题,例如方案一和方案二设计时都出现了输出电压无法满足的情况,通过查阅资料了解到ICL8038的输出特性,矩形波幅值VCC,三角波幅值约为VCC/3,正弦波幅值约为VCC/5,所以不加分压电路的话不能同时满足实验电路电压设计要求,所以我们再输出端可以加上分压电路。3设计方案完成后,要整体进行对比与评价,找出各个方案的优缺点,对于实现方案我们要用于布线测试,所以要多从实际出发。因为我的实践方案与老师给的参考方案比较相似,所以在布线与测试中省了好多力。4尽可能使电路布线规整有序,模块之间关系清楚,既利于自己修改,也利于与别人交流。如果电路乱的连自己都看不懂,那还如何改进和扩展。5团队合作很重要,每个人看问题的角度都会不同,一个问题从不同的角度出发则会很容易解决。我们组比较出色的完成调试主要原因就是我与另一个组员诚心合力,分工明确,准备充分。6无论做什么事情都要细心,实验更需要缜密严谨的心态。设计型实验更需要合理有序的步骤,由整体划为部分,再由部分和为整体的思想是非常重要的。 实验就是帮助我们学以致用,在高等教育学习的过程中,我们不仅仅要学会课本上的理论知识,还应在学好理论的基础上加以运用。本次实验帮我在已有的理论基础上又学到了不少实用的新知识,受益匪浅。6参考文献1孙肖子实用电子电路手册模拟部分高等教育出版社,19912康华光电子技术基础模拟部分第四版XX：高等教育出版社,20053姚福安电子电路设计与实践XX科学技术出版社,20014吴友宇模拟电子电路科学出版社,2014