函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

賈鳳偉，陳強

（北京信息職業(yè)技術(shù)學院 電子信息學院，北京， 100015）

函數(shù)信號發(fā)生器又叫波形發(fā)生器。作為電子設(shè)備的激勵信號，被廣泛應用于現(xiàn)代電子、電氣、電力、通信、航天等各個領(lǐng)域，也經(jīng)常被用于調(diào)幅、調(diào)壓以及降噪等環(huán)境中，作為高等院校的電子專業(yè)的實驗實訓教學，函數(shù)信號發(fā)生器電路涵蓋了電源電路、波形產(chǎn)生、波形變換、運放電路等多個模塊電路的知識點，是鞏固、拓展理論知識的典型實驗實訓教學案例之一。因此，設(shè)計一款精度高、頻率可調(diào)、幅度可調(diào)的多種波形信號發(fā)生器是十分有意義的。

函數(shù)信號發(fā)生器是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。

1 設(shè)計方案的確定

通常實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器的方案具體有以下四種[1]：

（1）采用分立元器件實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器。該電路主要由運算放大器、電壓比較器、積分運算電路、差分放大電路及選擇開關(guān)、電位器、電容、電阻等組成。該實現(xiàn)方法基本由三級模塊電路組成，第一級模塊比較器產(chǎn)生方波，方波通過第二級模塊積分電路產(chǎn)生三角波，三角波通過第三級模塊差分放大電路產(chǎn)生正弦波。選擇開關(guān)可以進行轉(zhuǎn)換頻率波段，調(diào)節(jié)差分放大電路的部分元件可以正弦波產(chǎn)生的波形進行改善。該方法實現(xiàn)的通常為單函數(shù)發(fā)生器，輸出信號頻率比較低且調(diào)節(jié)范圍較小，波形質(zhì)量也不高，而且電路比較復雜體積偏大，工作也不夠穩(wěn)定，且不易調(diào)試。

（2）采用典型集成芯片實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器。該方法通過專門的函數(shù)信號發(fā)生器集成芯片配以少量的外圍元器件就可以產(chǎn)生多種波形信號。通過調(diào)節(jié)不同電位器來改變輸出信號頻率大小、幅度及占空比，通過改變接入電路的電阻、電容的大小，獲得不同的頻率信號。此方法構(gòu)成的電路具有較高溫度穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性，能夠獲得精度較高的波形信號。常見的典型集成芯片有5G8038、ICL8038、MAX038 等。

（3）采用單片機實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器。該方法可以通過單片機編程實現(xiàn)波形的輸出，并進行調(diào)節(jié)，此方法線路簡單，對硬件的要求不是很高，主要體現(xiàn)在軟件編程上，即用單片機作為中央處理控制器，函數(shù)信號經(jīng)過數(shù)學運算進行解析，轉(zhuǎn)換成程序算法，由軟件程序產(chǎn)生數(shù)字波形信號經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出信號波形，實現(xiàn)輸出多種波形及變換不同的頻率，且電路結(jié)構(gòu)緊湊，抗干擾能力強。通常多采用STC89C51、STC89C52、C8051F020、STM32 等 單 片 機 芯片實現(xiàn)。

（4）采用直接數(shù)字合成技術(shù)（DDS—Direct Digital Synthesis）實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器。直接數(shù)字合成的基本原理是數(shù)字取樣技術(shù)，通過數(shù)字合成方法來生成頻率和相位相對于采樣時鐘可調(diào)的信號，從而產(chǎn)生周期性波形。目前，產(chǎn)生常見的波形信號源大多采用DDS 芯片實現(xiàn)。其具有信號產(chǎn)生方式靈活、頻率分辨率高、頻率切換速度快、切換頻率時相位連續(xù)等優(yōu)點，缺點是成本費用偏高。一個基本的DDS 電路包括電子控制器、隨機訪問存儲器（RAM）、頻率參考源（通常是晶振）、計數(shù)器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。

通過對上述四種方案的調(diào)研分析，綜合考慮學生的學情及實訓教學要求和采購成本，決定采用第二種方案即采用典型集成芯片實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，選擇ICL8038 集成芯片作為本設(shè)計的核心部件。

2 ICL8038 集成芯片介紹

ICL8038 波形發(fā)生器是一個用最少的外部元件就能產(chǎn)生高精度正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波形的單片綜合集成電路，頻率可用外部電阻器或電容器來調(diào)節(jié)選定，范圍從0.001Hz~300kHz，并且用外部電壓可以完成頻率調(diào)制及掃頻。

■2.1 ICL8038 引腳功能

圖1 ICL8038 引腳圖

各引腳功能如下：腳1：正弦波失真度調(diào)節(jié)端；腳2：正弦波輸出端；腳3：三角波/鋸齒波輸出端；腳4：占空比/頻率調(diào)節(jié)端；腳5：占空比/頻率調(diào)節(jié)端；腳6：電源V+；腳7：FM 偏置電壓；腳8：FM 電壓輸入端；腳9：方波輸出端；腳10：外接電容連接端；腳11：接地端；腳12：正弦波失真度調(diào)節(jié)端；腳13：空腳；腳14：空腳。

■2.2 ICL8038 芯片特點[2]

（1）電源的電壓范圍寬。單電源供電時，V+~V-的電壓范圍可以選取+10V~+30V 范圍內(nèi)；雙電源供電時，V+~V-的電壓可選取±5V~±15V 范圍內(nèi)，電源電流約為15mA。

（2）振蕩頻率范圍寬，頻率穩(wěn)定性好。頻率范圍是0.001Hz~300kHz，頻率溫源僅50*10-6/℃。

（3）輸出波形失真小。正弦波的失真度在5%以內(nèi)，經(jīng)細心調(diào)整后還可降到0.1%以下。三角波的失真度為0.1%。

（4）矩形波的占空比調(diào)節(jié)范圍很寬，可在1%~99%之間調(diào)節(jié)，通過調(diào)節(jié)占空比，可獲得窄脈沖、方波、寬脈沖等輸出波形。

（5）輸出特性。

正弦波：幅度約為V+/5，輸出阻抗是1kΩ；矩形波（含方波）：集電極開路輸出，幅度接近V+；三角波（含鋸齒波）；幅度約為V+/3，輸出阻抗為200Ω；調(diào)頻輸入：范圍是10kHz，線性度為0.5%。

■2.3 ICL8038 芯片工作原理

在圖2 中，觸發(fā)器的輸出端Q 控制開關(guān)電路S 的通斷，當Q 為低電平“0”時，開關(guān)S 斷開，當Q 為高電平“1”時，開關(guān)S 接通。電壓比較器1、2 的門限電壓是分別為2/3 V、1/3 V（V 等于電源供電總電壓值），電流源IS1和IS2的電流大小由ICL8038 芯片的腳8 接入的偏置電壓和腳4、腳5外接的電阻值決定，且IS2必須大于IS1才能使電路產(chǎn)生振蕩，電流源IS1和IS2對腳10 外接的電容C 進行充放電。因此通過改變外接電阻值調(diào)整電流源的電流以及改變外接電容C的容值，可以改變電容C 的充放電時間常數(shù)τ。

圖2 ICL8038 芯片原理方框圖

當給ICL8038 芯片通電后，電壓比較器1 輸出低電平，電壓比較器2 輸出高電平，即觸發(fā)器輸入端為R=1、S=0，因此輸出端Q 為0，處于低電平，致使控制開關(guān)S 處于斷開狀態(tài)，電流源IS2不接入電路，只有電流源IS1接入電路中并對外接電容進行充電，此時外接電容兩端電壓uc隨時間增長而線性上升，當uc上升到1/3 V 時，電壓比較器2 輸出由高電平“1”跳變成低電平“0”，即觸發(fā)器輸入端為R=0、S=0，因此觸發(fā)器輸出端Q 維持不變，依然為低電平“0”，電流源IS1繼續(xù)對外接電容充電，外接電容兩端電壓uc繼續(xù)隨時間增長線性上升，當uc上升到2/3 V 時，電壓比較器1 輸出由低電平“0”跳變成高電平“1”，即觸發(fā)器輸入端變?yōu)镽=0、S=1，此時觸發(fā)器輸出端Q 發(fā)生翻轉(zhuǎn)由低電平“0”跳變成高電平“1”，導致控制開關(guān)S 閉合，將電流源IS2接入電路中，由于IS2＞IS1，此時外接電容C 開始放電，由此外接電容C 兩端電壓uc開始隨時間增長而線性下降，uc下降后又小于了2/3 V，因此電壓比較器1 輸出端由高電平“1”跳變成低電平“0”，即觸發(fā)器輸入端又變?yōu)镽=0、S=0，因此觸發(fā)器輸出端Q 維持不變，依然為高電平“1”，電流源IS2狀態(tài)不變，繼續(xù)在電路中作用，直到uc下降到1/3 V 時，電壓比較器2 輸出發(fā)生跳變由低電平“0”變成高電平“1”，即觸發(fā)器輸入端變?yōu)镽=1、S=0，所以輸出端Q 由高電平“1”跳變成低電平“0”，導致控制開關(guān)S 再次斷開、電流源IS2斷開，電流源IS1再次作用給外接電容C 充電，uc又開始隨時間增加線性上升，如此周而復始重復上述過程，電路產(chǎn)生振蕩。若IS2=2 IS1時，即uc上升時間等于下降時間，就會產(chǎn)生三角波通過緩沖電路2 從腳3 輸出；若IS1＜IS2＜2IS1，即uc上升時間與下降時間不相等，管腳3 輸出的就是鋸齒波。觸發(fā)Q 端輸出的方波，經(jīng)緩沖電路1 從腳9 輸出[3]。三角波經(jīng)正弦波變換器即使三角波的上升斜率或者下降斜率逐次逼近正弦波的斜率，就會產(chǎn)生正弦波由腳2 輸出。

3 外圍元器件選取

想要設(shè)計出符合要求的信號發(fā)生器，就要了解ICL8038芯片外圍元器件對輸出信號的影響。下面通過Proteus 仿真實驗電路，分析引腳外圍元器件參數(shù)與輸出信號幅值、頻率的關(guān)系，便于后期硬件電路的調(diào)試。

（1）振蕩電容C 對輸出信號的影響[5]

按圖3 所示電路，設(shè)定電路電源VCC 為+15V，4、5管腳外接電阻RA=RB=4.3kΩ，電位器W1=10kΩ 設(shè)置在中間位置，在10 管腳外接振蕩電容C，選取不同容值，并讀取各容值對應的輸出信號頻率，記錄在表1 中。

表1 輸出信號頻率、幅值與電容、電源電壓的關(guān)系

圖3 ICL8038 芯片的測試電路1

（2）RA、RB對輸出信號的影響[5]

按圖3 所示電路，設(shè)定電路電源VCC 為+15V，4、5腳外接電位器W1=10kΩ 設(shè)置在中間位置，改變電阻RA、RB為8.2kΩ，依然在10 管腳外接振蕩電容C 選取不同容值的情況下，讀取輸出信號頻率并記錄在表1 中。

（3）電源VCC 對輸出信號的影響

按圖3 所示電路，設(shè)定4、5 管腳外接電阻RA=RB=4.3kΩ，電位器W1=10kΩ 置于中間位置，電路電源VCC 分別設(shè)置+15V、+20V、+25V 時，讀取10 管腳外接振蕩電容C 不同容值情況下，輸出信號對應的頻率與幅值，并記錄在表1 中。

從表1 的數(shù)據(jù)可以分析出來振蕩電容C 的容值越大，輸出信號的頻率f 越??；4、5 管腳外接電阻RA、RB阻值越大，輸出信號頻率f 越小；當電路電源電壓越來越大時，輸出信號的電壓幅值也隨之增大，而輸出信號的頻率f 基本沒有發(fā)生變化[4]。

（4）8 管腳控制電壓對輸出信號的影響

按圖4 所示電路，給定電路電源電壓為VCC=+15V，4、5 管腳外接電阻為RA=RB=4.3kΩ，電位器W1=100kΩ 置于中間位置，10 管腳外接振蕩電容C=10nF，8 管腳外接電阻為R3=R4=15kΩ，電位器W2=100kΩ。通過改變電位器W2 滑動端的位置，進而改變8 管腳的輸入電壓，讀取并記錄輸出信號的頻率在表2 中。

表2 控制電壓與輸出信號頻率的關(guān)系

圖4 ICL8038 芯片的測試電路2

從表2 的數(shù)據(jù)可以分析出：輸出信號的頻率f 隨著8 管腳控制電壓的變化而變化，即8 管腳控制電壓越大，輸出信號的頻率越小。在此過程中還發(fā)現(xiàn)輸出波形的幅值一直沒有發(fā)生變化，其9 腳輸出波形幅值一直為7.5V，2 腳輸出波形幅值為1.8V，3 腳輸出波形幅值為2.5V。

改變電路電源電壓分別為+15V、+20V、+25V，分別檢測8 管腳的起振電壓和波形的最佳電壓。會發(fā)現(xiàn)只有當8管腳控制電壓達到一定值（起振電壓）時，輸出端才會顯示波形，說明此時電路產(chǎn)生振蕩；當8 管腳控制電壓大于等于一定值（波形最佳電壓）時，輸出波形顯示最佳狀態(tài)，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 控制電壓與輸出波形的關(guān)系

由此我們可以得出：輸出信號的頻率大小與10 管腳外接振蕩電容C 和4、5 管腳外接電阻RA、RB及8 管腳輸入電壓有關(guān)，輸出信號的幅值與電路電源電壓有關(guān)，且此電路是一個頻率連續(xù)可調(diào)的函數(shù)發(fā)生器電路[4]。

再有，通過調(diào)節(jié)圖4 所示電路中4、5 管腳外接電位器可以調(diào)節(jié)輸出信號波形的占空比，使輸出信號獲得規(guī)范的方波和三角波；通過調(diào)節(jié)圖4 所示電路中1、12 管腳外接電位器W3、W4 可以觀察到輸出波形的變化，即1、12 管腳的輸入電壓可以調(diào)整波形信號的失真度，使輸出信號波形失真降到最低。

4 函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

函數(shù)信號發(fā)生器的電路原理圖和PCB 電路是由國產(chǎn)在線PCB 設(shè)計軟件“嘉立創(chuàng)EDA”繪制完成。設(shè)計原理圖如圖5 所示。PCB 圖設(shè)計如圖6 所示。

圖5 函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計原理圖

圖6 PCB 圖設(shè)計

圖7 函數(shù)信號發(fā)生器輸出波形

（1）電源部分

外加直流電源，采用上個實訓內(nèi)容成果—0~30V 可調(diào)直流穩(wěn)壓電源。

直流穩(wěn)壓電源是一種將220V 工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電的裝置，主要由變壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。IC 選用LM317 三端穩(wěn)壓集成電路，通過調(diào)節(jié)外加IC 集成電路控制端的變阻器阻值，獲得波形信號發(fā)生電路部分所需的直流電壓。

（2）波形信號發(fā)生部分[6]

該部分電路采用第二種典型集成芯片實現(xiàn)函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，即以ICL8038 集成芯片為主、輔以簡單的外圍元器件構(gòu)成高精度的信號發(fā)生電路。D1 為電源供電指示燈，R10 為限流電阻，C10 用于電源濾波，C9 去藕。R3、R4、W2 用于調(diào)節(jié)輸出頻率。R1、R2、W1 用于改變輸出信號的占空比。R5、R6、W3 和R7、R8、W4、C8 兩套微調(diào)網(wǎng)絡，可以通過調(diào)節(jié)W3、W4 的阻值減小正弦波的失真度。R11 為矩形波的輸出上拉電阻。

（3）電容的選取

ICL8038 芯片的10 引腳通過旋轉(zhuǎn)開關(guān)SW1 外接C1~C7 七個不同容值的電容，電容容值參數(shù)決定了輸出信號的頻率，通過SW1 切換不同容值參數(shù)，從而獲得不同的頻率范圍。C1~C7 七個電容的容值選取都是取自于仿真實驗之中，實現(xiàn)頻率范圍約在40Hz~300kHz 之間。

（4）運放部分

在波形信號發(fā)生電路之后，加入運放電路，給予輸出信號一定的放大。運放電路選用由LF353 和2 個10k 電阻、1 個50k 電位器、1 個容值100nF 的電容組成的反相比例放大器電路，接于ICL8038 芯片輸出方波的第9 引腳。

5 電路的組裝與調(diào)試

（1）通過嘉立創(chuàng)EDA 軟件在線下單購買元器件和制作PCB 板，根據(jù)電路原理圖將元器件焊接在PCB 板上。

（2）將SW2 開關(guān)與ICL8038 芯片的第9 引腳接通，將示波器連接到輸出端，觀測輸出波形。調(diào)節(jié)電位器W1，使輸出波形占空比達到50%，獲得方波。

（3）將SW2 開關(guān)與ICL8038 芯片的第2 引腳接通，用示波器觀測輸出波形。通過調(diào)節(jié)電位器W3、W4，使輸出的正弦波失真度達到最小。

（4）切換SW1、SW2 開關(guān)的位置，將不同容值的電容接入電路中，調(diào)節(jié)電位器W2 至最大和最小，觀測方波、正弦波、三角波輸出波形在不同容值下的頻率范圍，并進行記錄，與仿真實驗進行數(shù)據(jù)對比，得出總結(jié)[6]。

（5）通過調(diào)節(jié)運放電路的電位器W5，觀測方波、正弦波、三角波輸出波形的最大不失真情況下的VP-P。

（6）拓展：試著調(diào)出任意自擬周期性波形（如鋸齒波、梯形波等，方波、正弦波、三角波除外）。

6 總結(jié)

本次函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計采用了以ICL8038 芯片作為核心元件，外接少量元器件的設(shè)計方案，此種方案具有電路結(jié)構(gòu)簡單，信號的幅度、頻率等參數(shù)可調(diào)的優(yōu)點，能夠滿足模電課程的一般實驗要求。此種設(shè)計理念非常適用于高等院校的電子實驗實訓教學，通過對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計、焊接與調(diào)試，了解電子產(chǎn)品的開發(fā)和制作過程，并鍛煉了學生的焊接技能和電路調(diào)測能力，培養(yǎng)學生運用理論知識分析提高解決實際問題的能力，真正實現(xiàn)理論與實踐相結(jié)合，也為進一步研究和實現(xiàn)高質(zhì)量的信號源電路提供參考。