馮澤虎

摘要：信號發(fā)生器是一種能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的電子儀器，是工業(yè)生產(chǎn)和電工、電子實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的電子儀器之一。信號發(fā)生器可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，而頻率越高、產(chǎn)生波形越多的信號發(fā)生器越好，可以從信號發(fā)生器的制作條件及使用領(lǐng)域方面考慮其實(shí)現(xiàn)方法。文章用函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038結(jié)合外圍電路產(chǎn)生三角波、正弦波以及矩形波三種基本波形，再把產(chǎn)生的波形通過由ICM7216D、晶體、電容、開關(guān)及LED數(shù)碼管等組成的顯示電路顯示出頻率，而把波形產(chǎn)生電路產(chǎn)生的正弦波通過調(diào)頻電路就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)調(diào)頻波。

關(guān)鍵詞：ICL8038；信號發(fā)生器；調(diào)頻電路；電子儀器

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）05-0014-03

信號發(fā)生器是一種能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號的電子儀器，是工業(yè)生產(chǎn)和電工、電子實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的電子儀器之一。在現(xiàn)代電子學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，常常需要高精度且頻率可方便調(diào)節(jié)的信號發(fā)生器。一般來說，頻率越高、產(chǎn)生波形種類越多的發(fā)生器性能越好，但器件成本和技術(shù)要求也大大提高，因此在滿足工作要求的前提下，性價(jià)比高的發(fā)生器是我們的首選。常見的信號發(fā)生器是用ICL8038制成的簡單信號發(fā)生器，但這種信號發(fā)生器僅能產(chǎn)生正弦波、三角波和矩形波，而本文要研究的就是如何在ICL8038基礎(chǔ)上結(jié)合其外圍電路以及直接調(diào)頻電路使其產(chǎn)生其他的信號。

一、總體設(shè)計(jì)

（一）信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)框圖

信號發(fā)生器框圖如圖 1所示：

圖1中，波形產(chǎn)生電路由單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038及其外圍電路組成，用來顯示方波、正弦波及三角波；直接調(diào)頻電路由石英晶體及變?nèi)荻O管等組成，波形產(chǎn)生電路產(chǎn)生的正弦波經(jīng)此電路會(huì)產(chǎn)生一個(gè)調(diào)頻波；顯示電路由單片頻率計(jì)ICM7216D、晶體、電容、開關(guān)及LED數(shù)碼管[11]等組成，用來顯示輸出波形的頻率值。

（二）信號發(fā)生器的總電路圖

信號發(fā)生器的總電路如圖2所示：

二、各部分電路設(shè)計(jì)

（一）基于ICL8038的波形發(fā)生電路設(shè)計(jì)

ICL8038組成的函數(shù)發(fā)生器如圖3所示。電阻R1與電位器 RP1用來確定8腳的直流電位U8，通常取U8≥2UCC/3。U8越高，IA和IB越小，輸出頻率越低，反之亦然。因此，ICL8038又稱為壓控振蕩器（VCO）或頻率調(diào)制器（FM）。RP1可調(diào)節(jié)的頻率范圍為20HZ～20KHZ。U8還可以由7腳提供固定電位，此時(shí)，輸出頻率f0僅由RA，RB及電容Ct決定。UCC采用雙電源供電時(shí)，輸出波形的直流電平為零。當(dāng)采用單電源供電時(shí)，輸出波形的直流電平為UCC/2。

（二）晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路設(shè)計(jì)

圖4是100MHz晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路。圖4中，T2管接成皮爾斯晶體振蕩電路，并由變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻。T2管集電極上的諧振回路調(diào)諧在晶體振蕩頻率的三次諧波上，完成三倍頻功能。T1管為音頻放大器，將輸入的信號放大后，經(jīng)2.2μH的高頻扼流圈加到變?nèi)莨苌?。同時(shí)T1的電源電壓也通過2.2μH高頻扼流圈加到變?nèi)莨苌希鳛樽內(nèi)莨艿钠秒妷骸?/p>

對晶體振蕩器進(jìn)行調(diào)頻時(shí)，由于振蕩回路中引入了變?nèi)荻O管，因此頻率穩(wěn)定度相對于不調(diào)頻的晶體振蕩器有所降低。一般，其短期頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-6數(shù)量級，長期頻率穩(wěn)定度達(dá)到10-5數(shù)量級。

（三）基于ICM7216D的顯示電路設(shè)計(jì)

顯示電路是由單片頻率計(jì)ICM7216D、晶體、電阻及電容等構(gòu)成。ICM7216D是美國Intersil公司首先研制的專用測頻大規(guī)模集成芯片。它是標(biāo)準(zhǔn)的28引腳的雙列直插式集成電路，采用單一的+5V穩(wěn)壓電源工作。它內(nèi)含高頻振蕩器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、七段譯碼器、位多路復(fù)用器、能夠直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器的8段一段碼驅(qū)動(dòng)器、8位一位碼驅(qū)動(dòng)器。其基本的測頻范圍為DC至10MHz，若加預(yù)置的分頻電路，則上限頻率可達(dá)40MHz或100MHz，單片頻率計(jì)ICM7216D只要加上晶振、量程選擇、LED 顯示器等少數(shù)器件即可構(gòu)成一個(gè)DC至40MHz的微型頻率計(jì)，可用于頻率測量，機(jī)械轉(zhuǎn)速測量等方面的應(yīng)用。

圖5為基于ICM7216D的顯示電路。用晶體和電容C1、C2構(gòu)成的10MHz振蕩頻率作為基準(zhǔn)頻率，經(jīng)ICM7216D內(nèi)部分頻后，產(chǎn)生閘門時(shí)間脈沖。用開關(guān)K選擇量程。另用開關(guān)S1控制電路復(fù)位，S2可時(shí)電路處于保持狀態(tài)。8個(gè)LED數(shù)碼管的DP都與DP小數(shù)點(diǎn)輸入腳（23腳）相連，由內(nèi)部小數(shù)點(diǎn)邏輯單元產(chǎn)生正確的小數(shù)點(diǎn)位。當(dāng)被測信號輸出時(shí)，ICM7216D對其頻率計(jì)數(shù)，8位LED逐位顯示被測頻率，從而實(shí)現(xiàn)測量和顯示的目的。

具體工作過程為：使用一個(gè)2.5MHz的晶振及22MΩ的電阻、電容C1、C2來滿足內(nèi)部振蕩器的正常工作。由于內(nèi)部振蕩器是一個(gè)高增益的CMOS反相器，因此用電阻與晶振并聯(lián)以提供足夠的偏壓，此時(shí)芯片的基振為2.5MHz。如果使用1MHz晶振代替2.5MHz晶振需要將芯片的腳25、腳26之間的電容作些調(diào)整，這時(shí)芯片的基振為1MHz。另外芯片還允許使用外部振蕩器，如果使用外部振蕩器時(shí)，芯片的基頻等于外部振蕩電路的頻率，此時(shí)芯片內(nèi)部振蕩電路仍在工作，但不影響芯片的正常測量。若內(nèi)部振蕩頻率小于1MHz或只有外部振蕩電路在工作時(shí)，必須將腳25、腳26連接在一起，以保證足夠的懸掛電平。如果外部振蕩電路輸出為TTL 電平時(shí)，則需要在腳25、腳26之間接一個(gè)22MΩ的電阻，并且要將腳24、腳25連在一起，如果外部振蕩電路的頻率小于100KHz，則外部振蕩電路對芯片不起作用，芯片仍以內(nèi)部振蕩電路的頻率工作。

被測信號從腳28輸入，如果輸入信號較小，可以采用前置放大電路。如果輸入信號較太，可以采用限幅電路。D1～D8八條位驅(qū)動(dòng)線分別與八位LED的公共端相連，段驅(qū)動(dòng)輸出線a～g與LED相應(yīng)的引腳相連將LED的第1至7位的小數(shù)點(diǎn)都與腳23連在一起，則由內(nèi)部小數(shù)點(diǎn)邏輯單元產(chǎn)生正確的小數(shù)點(diǎn)位。八位LED是示器逐位顯示，頻率為500Hz ，位信號時(shí)間為244μs，兩位顯示之間有6μs的位空白時(shí)間，以防止重影。芯片的最大段驅(qū)動(dòng)電流為15mA，額定段驅(qū)動(dòng)電流為12mA。要增加顯示亮度，可將電源電壓增加到6V，在測量顯示時(shí)，小數(shù)點(diǎn)左邊的零被消除，右邊的位照常顯示。當(dāng)被測信號的頻率超出頻率計(jì)的測量范圍發(fā)生溢出時(shí)，芯片內(nèi)部能夠點(diǎn)亮第八位的小數(shù)點(diǎn)，表示此時(shí)發(fā)生溢出。

圖5中，K為一個(gè)四檔開關(guān)，用于選擇不同的量程。S1為一個(gè)按鍵開關(guān)，當(dāng)其按下時(shí)，腳12為低電平，主計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，顯示為零。當(dāng)S2按下時(shí)，腳27為高電平，主計(jì)數(shù)器暫停計(jì)數(shù)，此時(shí)數(shù)據(jù)自鎖并顯示；當(dāng)S2斷開，主計(jì)數(shù)器才重新啟動(dòng)計(jì)數(shù)。由于復(fù)合控制輸入端所用信號是位驅(qū)動(dòng)信號，為避免復(fù)合控制信號影響位信號，使用二極管進(jìn)行隔離，與芯片管腳1相連的電阻及電容的作用是降低噪聲，減少干擾。

（四）整形電路設(shè)計(jì)

由于ICM7216D芯片只能對脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，所以波形產(chǎn)生電路產(chǎn)生的正弦波和三角波要先進(jìn)行整形，然后才能送進(jìn)顯示電路進(jìn)行頻率顯示，而整形電路只需用一個(gè)與非門就可實(shí)現(xiàn)。本文選擇了74LS20芯片進(jìn)行整形。74LS20芯片引腳圖如圖6所示：

三、結(jié)果分析

本文采用±10V、5V直流電源供電，運(yùn)用數(shù)字示波器顯示輸出波形。

信號發(fā)生器能輸出正弦波、三角波、矩形波及調(diào)頻波；正弦波、三角波、矩形波的最低頻率為55.10Hz，最高頻率為16.13KHz；正弦波的峰峰值可達(dá)到4.36V；三角波的峰峰值可達(dá)6.6V，占空比可在44.4%~50.4%之間調(diào)節(jié)；矩形波的峰峰值可達(dá)到20.2V，占空比則可在41.3%~57.5%之間調(diào)節(jié)；調(diào)頻電路中的載波峰峰值為5.6V，頻率為13.3MHz；顯示電路由于加了4分頻電路，則測頻上限頻率可達(dá)40MHz。

四、結(jié)語

本文是采用函數(shù)發(fā)生芯片ICL8038結(jié)合外圍電路產(chǎn)生正弦波、三角波及矩形波，再把產(chǎn)生的正弦波輸入晶體振蕩器的變?nèi)莨苤苯诱{(diào)頻電路，產(chǎn)生調(diào)頻波輸出，各波形通過ICM7216D組成的顯示電路顯示出其頻率。該系統(tǒng)完全由硬件構(gòu)成，避免了編程方面的問題，電路簡單，易于調(diào)試，產(chǎn)生的波形種類多。

參考文獻(xiàn)

[1]吳慎山，等. 電子線路設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2]王昊，李昕.集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)360例[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3]賽爾吉?dú)W·佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2004.

[4]余小平，奚大順.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)（基礎(chǔ)篇）[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[5]王彥朋，張鳳凌，等. 大學(xué)生電子設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]. 北京：中國電力出版社，2007.

[6]PAULR，GRAY，等.模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社，2005.

[7]張肅文. 高頻電子線路[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[8]蕭家源. 電子儀表原理與應(yīng)用[M]. 北京：科學(xué)出版社，2005.

[9]Paul Scherz. 發(fā)明者電子設(shè)計(jì)寶典[M]. 福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

[10]周云波. ICL8038掃頻信號發(fā)生器[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2003，（17）.

[11]姚行洲. ICL8038原理及應(yīng)用[J]. 北京廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，（1）.

[12]金韋. 波形發(fā)生器新型集成電路ICL8038及XR-2206[J]. 實(shí)用電子文摘，1997，（1）.

[13]Alan V.Oppenheim，Alan S.Willsky，S.Hamid Nawab. Signals and Systems，Second Edition[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2002.