函数信号发生器的设计与实现

贾凤伟，陈强

（北京信息职业技术学院 电子信息学院，北京， 100015）

函数信号发生器又叫波形发生器。作为电子设备的激励信号，被广泛应用于现代电子、电气、电力、通信、航天等各个领域，也经常被用于调幅、调压以及降噪等环境中，作为高等院校的电子专业的实验实训教学，函数信号发生器电路涵盖了电源电路、波形产生、波形变换、运放电路等多个模块电路的知识点，是巩固、拓展理论知识的典型实验实训教学案例之一。因此，设计一款精度高、频率可调、幅度可调的多种波形信号发生器是十分有意义的。

函数信号发生器是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

1 设计方案的确定

通常实现函数信号发生器的方案具体有以下四种[1]：

（1）采用分立元器件实现函数信号发生器。该电路主要由运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路及选择开关、电位器、电容、电阻等组成。该实现方法基本由三级模块电路组成，第一级模块比较器产生方波，方波通过第二级模块积分电路产生三角波，三角波通过第三级模块差分放大电路产生正弦波。选择开关可以进行转换频率波段，调节差分放大电路的部分元件可以正弦波产生的波形进行改善。该方法实现的通常为单函数发生器，输出信号频率比较低且调节范围较小，波形质量也不高，而且电路比较复杂体积偏大，工作也不够稳定，且不易调试。

（2）采用典型集成芯片实现函数信号发生器。该方法通过专门的函数信号发生器集成芯片配以少量的外围元器件就可以产生多种波形信号。通过调节不同电位器来改变输出信号频率大小、幅度及占空比，通过改变接入电路的电阻、电容的大小，获得不同的频率信号。此方法构成的电路具有较高温度稳定性和频率稳定性，能够获得精度较高的波形信号。常见的典型集成芯片有5G8038、ICL8038、MAX038 等。

（3）采用单片机实现函数信号发生器。该方法可以通过单片机编程实现波形的输出，并进行调节，此方法线路简单，对硬件的要求不是很高，主要体现在软件编程上，即用单片机作为中央处理控制器，函数信号经过数学运算进行解析，转换成程序算法，由软件程序产生数字波形信号经数模转换器输出信号波形，实现输出多种波形及变换不同的频率，且电路结构紧凑，抗干扰能力强。通常多采用STC89C51、STC89C52、C8051F020、STM32 等 单 片 机 芯片实现。

（4）采用直接数字合成技术（DDS—Direct Digital Synthesis）实现函数信号发生器。直接数字合成的基本原理是数字取样技术，通过数字合成方法来生成频率和相位相对于采样时钟可调的信号，从而产生周期性波形。目前，产生常见的波形信号源大多采用DDS 芯片实现。其具有信号产生方式灵活、频率分辨率高、频率切换速度快、切换频率时相位连续等优点，缺点是成本费用偏高。一个基本的DDS 电路包括电子控制器、随机访问存储器（RAM）、频率参考源（通常是晶振）、计数器和数模转换器（DAC）。

通过对上述四种方案的调研分析，综合考虑学生的学情及实训教学要求和采购成本，决定采用第二种方案即采用典型集成芯片实现函数信号发生器的设计，选择ICL8038 集成芯片作为本设计的核心部件。

2 ICL8038 集成芯片介绍

ICL8038 波形发生器是一个用最少的外部元件就能产生高精度正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波形的单片综合集成电路，频率可用外部电阻器或电容器来调节选定，范围从0.001Hz~300kHz，并且用外部电压可以完成频率调制及扫频。

■2.1 ICL8038 引脚功能

图1 ICL8038 引脚图

各引脚功能如下：脚1：正弦波失真度调节端；脚2：正弦波输出端；脚3：三角波/锯齿波输出端；脚4：占空比/频率调节端；脚5：占空比/频率调节端；脚6：电源V+；脚7：FM 偏置电压；脚8：FM 电压输入端；脚9：方波输出端；脚10：外接电容连接端；脚11：接地端；脚12：正弦波失真度调节端；脚13：空脚；脚14：空脚。

■2.2 ICL8038 芯片特点[2]

（1）电源的电压范围宽。单电源供电时，V+~V-的电压范围可以选取+10V~+30V 范围内；双电源供电时，V+~V-的电压可选取±5V~±15V 范围内，电源电流约为15mA。

（2）振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是0.001Hz~300kHz，频率温源仅50*10-6/℃。

（3）输出波形失真小。正弦波的失真度在5%以内，经细心调整后还可降到0.1%以下。三角波的失真度为0.1%。

（4）矩形波的占空比调节范围很宽，可在1%~99%之间调节，通过调节占空比，可获得窄脉冲、方波、宽脉冲等输出波形。

（5）输出特性。

正弦波：幅度约为V+/5，输出阻抗是1kΩ；矩形波（含方波）：集电极开路输出，幅度接近V+；三角波（含锯齿波）；幅度约为V+/3，输出阻抗为200Ω；调频输入：范围是10kHz，线性度为0.5%。

■2.3 ICL8038 芯片工作原理

在图2 中，触发器的输出端Q 控制开关电路S 的通断，当Q 为低电平“0”时，开关S 断开，当Q 为高电平“1”时，开关S 接通。电压比较器1、2 的门限电压是分别为2/3 V、1/3 V（V 等于电源供电总电压值），电流源IS1和IS2的电流大小由ICL8038 芯片的脚8 接入的偏置电压和脚4、脚5外接的电阻值决定，且IS2必须大于IS1才能使电路产生振荡，电流源IS1和IS2对脚10 外接的电容C 进行充放电。因此通过改变外接电阻值调整电流源的电流以及改变外接电容C的容值，可以改变电容C 的充放电时间常数τ。

图2 ICL8038 芯片原理方框图

当给ICL8038 芯片通电后，电压比较器1 输出低电平，电压比较器2 输出高电平，即触发器输入端为R=1、S=0，因此输出端Q 为0，处于低电平，致使控制开关S 处于断开状态，电流源IS2不接入电路，只有电流源IS1接入电路中并对外接电容进行充电，此时外接电容两端电压uc随时间增长而线性上升，当uc上升到1/3 V 时，电压比较器2 输出由高电平“1”跳变成低电平“0”，即触发器输入端为R=0、S=0，因此触发器输出端Q 维持不变，依然为低电平“0”，电流源IS1继续对外接电容充电，外接电容两端电压uc继续随时间增长线性上升，当uc上升到2/3 V 时，电压比较器1 输出由低电平“0”跳变成高电平“1”，即触发器输入端变为R=0、S=1，此时触发器输出端Q 发生翻转由低电平“0”跳变成高电平“1”，导致控制开关S 闭合，将电流源IS2接入电路中，由于IS2＞IS1，此时外接电容C 开始放电，由此外接电容C 两端电压uc开始随时间增长而线性下降，uc下降后又小于了2/3 V，因此电压比较器1 输出端由高电平“1”跳变成低电平“0”，即触发器输入端又变为R=0、S=0，因此触发器输出端Q 维持不变，依然为高电平“1”，电流源IS2状态不变，继续在电路中作用，直到uc下降到1/3 V 时，电压比较器2 输出发生跳变由低电平“0”变成高电平“1”，即触发器输入端变为R=1、S=0，所以输出端Q 由高电平“1”跳变成低电平“0”，导致控制开关S 再次断开、电流源IS2断开，电流源IS1再次作用给外接电容C 充电，uc又开始随时间增加线性上升，如此周而复始重复上述过程，电路产生振荡。若IS2=2 IS1时，即uc上升时间等于下降时间，就会产生三角波通过缓冲电路2 从脚3 输出；若IS1＜IS2＜2IS1，即uc上升时间与下降时间不相等，管脚3 输出的就是锯齿波。触发Q 端输出的方波，经缓冲电路1 从脚9 输出[3]。三角波经正弦波变换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，就会产生正弦波由脚2 输出。

3 外围元器件选取

想要设计出符合要求的信号发生器，就要了解ICL8038芯片外围元器件对输出信号的影响。下面通过Proteus 仿真实验电路，分析引脚外围元器件参数与输出信号幅值、频率的关系，便于后期硬件电路的调试。

（1）振荡电容C 对输出信号的影响[5]

按图3 所示电路，设定电路电源VCC 为+15V，4、5管脚外接电阻RA=RB=4.3kΩ，电位器W1=10kΩ 设置在中间位置，在10 管脚外接振荡电容C，选取不同容值，并读取各容值对应的输出信号频率，记录在表1 中。

表1 输出信号频率、幅值与电容、电源电压的关系

图3 ICL8038 芯片的测试电路1

（2）RA、RB对输出信号的影响[5]

按图3 所示电路，设定电路电源VCC 为+15V，4、5脚外接电位器W1=10kΩ 设置在中间位置，改变电阻RA、RB为8.2kΩ，依然在10 管脚外接振荡电容C 选取不同容值的情况下，读取输出信号频率并记录在表1 中。

（3）电源VCC 对输出信号的影响

按图3 所示电路，设定4、5 管脚外接电阻RA=RB=4.3kΩ，电位器W1=10kΩ 置于中间位置，电路电源VCC 分别设置+15V、+20V、+25V 时，读取10 管脚外接振荡电容C 不同容值情况下，输出信号对应的频率与幅值，并记录在表1 中。

从表1 的数据可以分析出来振荡电容C 的容值越大，输出信号的频率f 越小；4、5 管脚外接电阻RA、RB阻值越大，输出信号频率f 越小；当电路电源电压越来越大时，输出信号的电压幅值也随之增大，而输出信号的频率f 基本没有发生变化[4]。

（4）8 管脚控制电压对输出信号的影响

按图4 所示电路，给定电路电源电压为VCC=+15V，4、5 管脚外接电阻为RA=RB=4.3kΩ，电位器W1=100kΩ 置于中间位置，10 管脚外接振荡电容C=10nF，8 管脚外接电阻为R3=R4=15kΩ，电位器W2=100kΩ。通过改变电位器W2 滑动端的位置，进而改变8 管脚的输入电压，读取并记录输出信号的频率在表2 中。

表2 控制电压与输出信号频率的关系

图4 ICL8038 芯片的测试电路2

从表2 的数据可以分析出：输出信号的频率f 随着8 管脚控制电压的变化而变化，即8 管脚控制电压越大，输出信号的频率越小。在此过程中还发现输出波形的幅值一直没有发生变化，其9 脚输出波形幅值一直为7.5V，2 脚输出波形幅值为1.8V，3 脚输出波形幅值为2.5V。

改变电路电源电压分别为+15V、+20V、+25V，分别检测8 管脚的起振电压和波形的最佳电压。会发现只有当8管脚控制电压达到一定值（起振电压）时，输出端才会显示波形，说明此时电路产生振荡；当8 管脚控制电压大于等于一定值（波形最佳电压）时，输出波形显示最佳状态，具体数据见表3。

表3 控制电压与输出波形的关系

由此我们可以得出：输出信号的频率大小与10 管脚外接振荡电容C 和4、5 管脚外接电阻RA、RB及8 管脚输入电压有关，输出信号的幅值与电路电源电压有关，且此电路是一个频率连续可调的函数发生器电路[4]。

再有，通过调节图4 所示电路中4、5 管脚外接电位器可以调节输出信号波形的占空比，使输出信号获得规范的方波和三角波；通过调节图4 所示电路中1、12 管脚外接电位器W3、W4 可以观察到输出波形的变化，即1、12 管脚的输入电压可以调整波形信号的失真度，使输出信号波形失真降到最低。

4 函数信号发生器的设计

函数信号发生器的电路原理图和PCB 电路是由国产在线PCB 设计软件“嘉立创EDA”绘制完成。设计原理图如图5 所示。PCB 图设计如图6 所示。

图5 函数信号发生器设计原理图

图6 PCB 图设计

图7 函数信号发生器输出波形

（1）电源部分

外加直流电源，采用上个实训内容成果—0~30V 可调直流稳压电源。

直流稳压电源是一种将220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电的装置，主要由变压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。IC 选用LM317 三端稳压集成电路，通过调节外加IC 集成电路控制端的变阻器阻值，获得波形信号发生电路部分所需的直流电压。

（2）波形信号发生部分[6]

该部分电路采用第二种典型集成芯片实现函数信号发生器的设计，即以ICL8038 集成芯片为主、辅以简单的外围元器件构成高精度的信号发生电路。D1 为电源供电指示灯，R10 为限流电阻，C10 用于电源滤波，C9 去藕。R3、R4、W2 用于调节输出频率。R1、R2、W1 用于改变输出信号的占空比。R5、R6、W3 和R7、R8、W4、C8 两套微调网络，可以通过调节W3、W4 的阻值减小正弦波的失真度。R11 为矩形波的输出上拉电阻。

（3）电容的选取

ICL8038 芯片的10 引脚通过旋转开关SW1 外接C1~C7 七个不同容值的电容，电容容值参数决定了输出信号的频率，通过SW1 切换不同容值参数，从而获得不同的频率范围。C1~C7 七个电容的容值选取都是取自于仿真实验之中，实现频率范围约在40Hz~300kHz 之间。

（4）运放部分

在波形信号发生电路之后，加入运放电路，给予输出信号一定的放大。运放电路选用由LF353 和2 个10k 电阻、1 个50k 电位器、1 个容值100nF 的电容组成的反相比例放大器电路，接于ICL8038 芯片输出方波的第9 引脚。

5 电路的组装与调试

（1）通过嘉立创EDA 软件在线下单购买元器件和制作PCB 板，根据电路原理图将元器件焊接在PCB 板上。

（2）将SW2 开关与ICL8038 芯片的第9 引脚接通，将示波器连接到输出端，观测输出波形。调节电位器W1，使输出波形占空比达到50%，获得方波。

（3）将SW2 开关与ICL8038 芯片的第2 引脚接通，用示波器观测输出波形。通过调节电位器W3、W4，使输出的正弦波失真度达到最小。

（4）切换SW1、SW2 开关的位置，将不同容值的电容接入电路中，调节电位器W2 至最大和最小，观测方波、正弦波、三角波输出波形在不同容值下的频率范围，并进行记录，与仿真实验进行数据对比，得出总结[6]。

（5）通过调节运放电路的电位器W5，观测方波、正弦波、三角波输出波形的最大不失真情况下的VP-P。

（6）拓展：试着调出任意自拟周期性波形（如锯齿波、梯形波等，方波、正弦波、三角波除外）。

6 总结

本次函数信号发生器的设计采用了以ICL8038 芯片作为核心元件，外接少量元器件的设计方案，此种方案具有电路结构简单，信号的幅度、频率等参数可调的优点，能够满足模电课程的一般实验要求。此种设计理念非常适用于高等院校的电子实验实训教学，通过对函数信号发生器的设计、焊接与调试，了解电子产品的开发和制作过程，并锻炼了学生的焊接技能和电路调测能力，培养学生运用理论知识分析提高解决实际问题的能力，真正实现理论与实践相结合，也为进一步研究和实现高质量的信号源电路提供参考。