设计和制作一函数信号发生器

基于ICL8038函数信号发生器的设计本设计是以ICL8038 和AT89C2051 为核心设计的数控及扫频函数信号发生器。ICL8038 作为函数信号源
结合外围电路产生占空比和幅度可调的正弦波、方波、三角波; 该函数信号发生器的频率可调范围为1~100kHz， 步进为0.1kHz， 波形稳定， 无明显失真。
1.系统设计框图如图1 为系统设计框图。本设计是利用键盘设置相应的频率值， 根据所设置频率段选择相应电容， 经计算获得相应数字量送数字电位器实现D/A 转换， 同时与参考电压( 本例为5.5V) 相加后形成数控调压去控制ICL8038 第8 脚， 这样即可由ICL8038 实现对应频率值的矩形波、三角波和正弦波。方波幅度经衰减后送单片机可测得信号源频率并由数码管显示。
2.电路原理图
图2 为电路原理图。其中AT89C2051 是8 位单片机， 其中: P1.4~P1.7、P1.2、P1.3、P3.0、P3.1 作为数
码显示; P3.3、P3.5 、P3.7 作为键盘输入口; P3.4 作为计数口， 用于测量信号源频率;P3.0~P3.2 作为数字电位器的SPI总线; P1.1、P1.0 可根据需要扩展继电器或模拟开关选择ICL8038第10 脚( CAP) 与第11 脚间的电容C。
MCP41010 是8 位字长的数字电位器， 采用三总线SPI 接口。/CS: 片选信号， 低电平有效; SCK:时钟信号输入端; SI: 串行数据输入端， 用于寄存器的选择及数据输入。MCP41010 可作为数字电位器， 也可以作为D/A 转换器， 本设计是将MCP41010 接成8 位字长的D/A 转换器， MCP41010 根据输入的串行数据， 对基准电压进行分压后由中间抽头输出模拟电压， 即VPWO =DN/256VREF ( 式中VREF=5V) 。
函数发生电路ICL8038， 图2所示是一个占空比和一个频率连续可调的函数发生电路。ICL8038是一种函数发生器集成块， 通过外围电路的设计， 可以产生高精密度的正弦波、方波、三角波信号， 选择不同参数的外电阻和电容等器件， 可以获得频率在0.01Hz~300kHz 范围内的信号。通过调节RW2 可使占空比在2%~98%可调。第10 脚( CAP) 与第11 脚间的电容C 起到很重要的作用， 它的大小决定了输出信号频率的大小， 当C 确定后， 调节ICL8038 第8 脚的电压可改变信号源的输出频率。从ICL8038 引脚9(要接上拉电阻)输出的波形经衰减后送单片机P3.4 进行频率测量。
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和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N= 4， 失真度可以小于1。在实测中得到正弦信号的失真度可达0.5 左右。其精度效果相当满意。为了进一步减小正弦波的失真度， 可采用图2 所示电路中两个电位器RW3 和RW4 所组成的电路， 调整它们可使正弦波失真度减小。当然， 如果矩形波的占空比不是50% ， 矩形波不再是方波， 引脚2 输出也就不再是正弦波了。 图2 电路原理图
经实验发现， 在电路设计中接10 脚和11 脚的电容值和性能是整个电路的关键器件， 电容值的确定也就确定电路能产生的频率范围， 电容性能的好坏直接影响信号频率的稳定性、波形的失真度， 由于该芯片是通过恒流源
对C 充放电来产生振荡的， 故振荡频率的稳定性就受到外接电容及恒流源电流的影响， 若要使输出频率稳定， 必须采用以下措施:外接电阻、电容的温度特性要好; 外部电源应稳定; 电容应选用漏电小、质量好的非极化电容器。3.实验结果
当±12V 工作电源时， 输出频率如下表: 失真度情况， 实验数据如下表: 4.软件流程图
图3 为软件流程图。T0 设为计数器，T1 设为定时器(初值为5ms)。5ms 启动主循环， 主要用于键盘扫描及扫描显示， 图2 中K0 作为控制键， K1 作为调整键， K2 作为增加键; 上电时程序进入频率设置模式， 按一下K0 键程序进入数控模式， 按二下K0 键程序进入扫频模式， 按三下K0 键程序进入频率设置模式， 周而复始。在频率设置模式， 由K1 键和K2 键完成频率设置。 图3 软件流程图基于ICL8038的函数发生器函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。因此，广泛用于仪表之中。一、电路结构函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示，共有五个组成部分。两个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1=I，IS2=2I；两个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为 和 ，它们的输入电压等于电容两端的电压uC，输出电压分别控制RS触发器的S端和 端；RS触发器的状态输出端Q和 用来控制开关S，实现对电容C的充、放电；两个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够低，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波电压。RS触发器是数字电路中具有存储功能的一种基本单元电路。Q和 是一对互补的状态输出端，当Q=1时， ；当Q=0时， 。S和 是两个输入端，当 时，Q=0时， ；反之，当 时，Q=1时， ；当S=0， 时，Q和 保持原状态不变。两个电压比较器的电压传输特性如下图所示。二、工作原理★当给函数发生器ICL8038合闸通电时，电容C的电压为0V，根据电压比较器的电压传输特性，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的 ，输出Q=0， ；★使开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流为IS1=I因充电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性上升。★当上升为VCC/3时，电压比较器Ⅱ输出为高电平，此时RS触发器的 ，S=0时，Q和 保持原状态不变。★一直到上升到2VCC/3时，使电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，此时RS触发器的 时，Q=1时， ，导致开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2-IS1=I因放电电流是恒流，所以，电容上电压uC随时间的增长而线性下降。起初，uC的下降虽然使RS触发的S端从高电平跃变为低电平，但 ，其输出不变。★ 一直到uC下降到VCC/3时，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，此时 ，Q=0， ，使得开关S断开，电容C又开始充电，重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为三角波，Q和 为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。结论：改变电容充放电电流，可以输出占空比可调的矩形波和锯齿波。但是，当输出不是方波时，输出也得不到正弦波了。三、性能特点ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，即将引脚11接地，引脚6接+VCC，VCC为10~30V；也可双电源供电，即将引脚11接-VEE，引脚6接+VCC，它们的值为±5~±15V。频率的可调范围为0.01Hz~300kHz。输出矩形波的占空比可调范围为2%~98%，上升时间为180ns，下降时间为40ns。输出三角波（斜坡波）的非线性小于0.05%。输出正弦波的失真小于1%。四、常用接法如图所示为ICL8038的引脚图，其中引脚8为频率调节（简称为调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比。引脚7输出调频偏置电压，数值是引脚7与电源+VCC之差，它可作为引脚8的输入电压。如图所示为ICL8038Z常见的两种基本接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL至+VCC。在图(a)所示电路中，RA和RB可分别独立调整。在图(b)所示电路中，通过改变电位器RW滑动的位置来调整RA和RB的数值。当RA=RB时，各输出端的波形如下图(a)所示，矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波了，图(b)所示为矩形波占空比是15%时各输出端的波形图。根据ICL8038内部电路和外接电阻可以推导出占空比的表达式为故RA<2RB。 为了进一步减小正弦波的失真度，可采用如下图所示电路中两个100kΩ的电位器和两个10kΩ电阻所组成的电路，调整它们可使正弦波失真度减小到0.5%。在RA和RB不变的情况下，调整RW2可使电路振荡频率Z大值与Z小值之比达到100:1。在引脚8与引脚6之间直接加输入电压调节振荡频率，Z高频率与Z低频率之差可达1000:1。