CDMA2000基带信号发生器的FPGA+DSP实现

第一篇：CDMA2000基带信号发生器的FPGA+DSP实现

CDMA2000基带信号发生器的FPGA+DSP实现

摘 要：提出了基带信号发生器中CDMA2000无线传输技术的下行链路基带处理方案，给出了其数字基带处理原理框图，并详细介绍了设计过程中涉及的各种CDMA 关键技术及其软硬件实施方案。

关键词：CDMA2000；基带信号发生器；FPGA；DSP

1引言

第三代移动通信系统是为满足人们对宽带移动通信的要求而产生的，他除能提供传统的电路数据业务（语音和低速数据业务）以外还能提供最高达2 Mb/s的分组数据业务。CDMA2000技术是第三代移动通信系统的主要标准之一。本文主要探讨基带信号源中CDMA2000下行基带信号模块的实现方案。

CDMA2000下行链路物理信道分为2类：一类是公共物理信道，一类是专用物理信道。其中公用物理信道包括：导频信道、同步信道、寻呼信道、广播信道、快速寻呼信道、公共功率控制信道、前向公共控制信道、公共指配信道。专用物理信道包括：前向专用辅助导频信道、专用控制信道、前向基本信道、前向补充码分信道（RC1，RC2），前向补充信道（RC3~RC9）。CDMA2000下行信道基带处理过程如图1所示。

基本信息比特进行信道编码和交织处理后进行长码加扰以区分用户，然后数据流进行符号映射即将0变为+1，1变为1，经变换后的数据流再进行串并转换，即将串行数据变为并行数据，再经WALSH码扩频（区分信道），最后数据经基带滤波形成前向基带信号。

其中的信道编码和交织进行的处理又包括加1位的保留位或标志位，加帧质量指示（CRC），加8位尾比特或保留位，卷积/Turbo编码和速率匹配等一系列操作。如图2所示。

信道编码和交织处理过程如图2所示。在信息比特流加入了帧质量指示（循环冗余校验比特）和纠错比特，实现检错。对数据进行卷积/Turbo编码是为了对抗传输信道中的随机误差，提高信道传输性能。为了适应多种速率传输，信道编码方案中还增加了速率匹配功能。速率匹配是将传输信道上的数据比特打孔或重复，以便达到信道映射时传输格式要求的比特速率。在信道编码中，采用交织技术可分散突发连续错误，减少信道编码需要校正的连续错误，使连续误码离散化成随机错误以便利用前面的信道编码手段纠正。

2CDMA2000下行链路基带处理的关键技术 2.1卷积/Turbo编码

卷积编码属于信道编码，主要用来纠正码元的随机误差，他以牺牲效率换取可靠性，利用增加监督位进行检错和纠错，这对数字移动通信十分必要。如图3所示是编码效率R=1 /2，约束长度K=9的卷积码的原理框图。

Turbo编码是近年来倍受瞩目的一项新技术，他是在卷积编码、级联码和最大后验功率译码基础上的一种推广和创新,Turbo编码后的误码率(BER)近似为10-5，接近Shannon极限的性能，他不仅在信噪比较低的高噪声环境下性能优越，而且具有很强的抗衰落、抗干扰能力。Turb o码的优良性能受到移动通信领域特别是第三代移动通信体制的重视，所有的第三代无线接口标准都采用了Turbo编码。但因为Turbo编码实现复杂，所以他主要用于高速率数据信道，而卷积编码用于低速率话音信道。如图4为Turbo编码的原理框图。

2.2交织

对输入的数据进行交织可以改善码距分布。交织就是用某种一一对应的确定性方法重新排列二进制和非二进制序列顺序的过程，以此来随机化突发错误的统计特性，使得信道无记忆。交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰落的影响而采取的时间分集技术，他在接收技术中具有重要的作用，在编码过程中采用交织算法是为了对信息流进行纠错控制。交织技术分散了随机错误和突发错误，采用交织技术使成群错误趋向更随机地分布，改善了码组的误码率性能。下面仅给出对于前向同步和寻呼信道以及业务信道在RC1和RC2配置下的交织器数据输出地址的计算公式：

其中：Ai表示被读出符号的地址，i=1,2,…，N1，N表示交织器长度；［x］表示向下取整；imod j表示i对j取模；BROm表示y的m位比特反转值；m与j为交织器参数可查表得到。

2.3扰码

扰码技术即用PN码与已扩频码相乘，实现对信号的加密。扰码之间必须有良好的正交性。上行链路物理信道加扰的作用是区分用户，下行链路加扰可以区分小区和信道。42位长PN码的特征多项式如下公式：

15位的PN短码用于QPSK调制的I，Q支路的直接序列扩频，两支路的短PN码特征多项式分别为：

2.4扩频

扩频操作又叫信道化操作，即用一个高速数字序列(扩频码)与数字信号相乘，把数据符号转换成一系列码片，从而大大提高了数字符号的速率，增加了信号带宽。由信号理论知道，脉冲信号宽度越窄，其频谱就越宽，信号的频带宽度和脉冲宽度近似成反比，因此，越窄的脉冲序列被所传信息调制，可产生频带很宽的信号。扩频码序列就是很窄的脉冲序列。通过扩频操作信号频谱被大大拓宽了。在常规通信中，为了提高频率利用率，通常都是采用大体相当带宽的信号来传输信息，即在无线电通信中射频信号的带宽和所传信息的带宽是属于同一个数量级的，但扩频通信的信号带宽与信息带宽之比则高达100～1 000，属于宽带通信，这样做是为了提高通信的抗干扰能力，这是扩频通信的基本思想和理论依据。扩频通信系统扩展的频谱越宽，处理增益越高，抗干扰能力就越强。在接收端用与发送端完全相同的扩频码序列来进行解扩。

2.5基带滤波

基带部分滤波器就是脉冲成形滤波器(LPF)。由于输出信号是带宽受限的，所以扩频调制器的输出码片流要利用脉冲成形滤波器进行滤波。

2.6QPSK调制

QSPK正交调制器方框图如图5所示，他可以被看成是由2个BSPK 调制器构成。输入的串行二进制信息序列经串/并变换，分成两路速率减半的序列，电平发生器分别产生双极性二电平信号I(t)和Q(t)，然后用载波分别进行调制，相加后即得到QPSK信号。QPSK调制效率高，要求传送途径的信噪比低，非常适用于CDMA移动通信系统。其原理框图如图5所示。

3CDMA2000下行链路处理模块的实现

第一步在实现基带模块之前，首先必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标、协议要求。

第二步是根据系统的要求进行芯片的选择，可供选择的芯片包括DSP，FPGA 和单片机。其中，DSP 芯片可单独完成整个基带部分的处理，典型的以DSP为核心的基带模块的主要特点 是方便的可测量性、单个信道的低耗费以及简便的软硬件升级性。也可选择DSP与FPGA 搭配使用，FPGA+DSP结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能够提高算法效率，同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。采用不同的芯片进行处理，会导致不同的系统性能，要得到最佳的系统性能，就必须在这一步确定最佳的芯片选择搭配。

在完成第二步之后，就是总体设计确定软硬件分工。基带模块的设计包括硬件设计和软件设计2个方面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成 本限制以及体积、功耗等要求选择合适芯片。然后设计芯片的外围电路及其他电路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的芯片编写相应的汇编程序，若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语言（如C语言）编程。由于现有的高级语言编译器的效率还比不上手工编写汇编语言的效率，因此在实际应用系统中常采用高级语言和汇编语言的混合编程方法，即在算法运算量大的地方，用手工编写的方法编写汇编语言，而运算量不大的地方则采用高级语言。

硬件和软件设计完成后，需进行硬件和软件的调试。软件的调试一般借助于芯片开发工具，如软件模拟器、开发系统或仿真器等。硬件调试一般采用硬件仿真器进行调试，如果没有相应的硬件仿真器，且硬件系统不是十分复杂，也可以借助于一般的工具进行调试。系统的软件和硬件分别调试完成后，对软硬件进行系统集成。最后，完成系统调试。实现框图如图6所示。

4结语

本设计的基带信号发生器CDMA2000下行链路基带模块设计将移动通信中的各种关键技术融为一体，形成具有整体性的CDMA数字基带处理技术。在CDMA2000基带设计过程中融入了软件无线电的思想，提出了无线信号发生源CDMA2000无线传输技术的基带处理方案，设计出信号源数字基带处理的软硬件实施方案，实现时运用了FPGA+DSP这样一种灵活的现代电子技术方案。参考文献

［1］邬国扬.CDMA数字蜂窝网［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2000.［2］王文博.时分双工CDMA移动通信技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2001.［3］杨大成,樊钢,杨鸿文,等.CDMA2000 技术［M］.北京:北京邮电大学出版社, 2000.［4］3GPP2 C.S0002A Version6.0 Physical Layer Standard for CDMA2000 S pread Spectrum Systems, Release A Virginia : Third Generation Partnership Pro ject 2,2002.作者：郑国敏，王家礼，叶丹霞(西安电子科技大学陕西 西安710071)

第二篇：信号发生器设计（推荐）

模拟课程设计题

信号发生器设计

设计一个能够输出正弦波、三角波和矩形波的信号源电路，电路形式自行选择。输出信号的频率可通过开关进行设定，具体要求如下：

（１）输出信号的频率范围为100~800Hz，步进为100Hz。（60分）

（２）要求输出信号无明显失真，特别是正弦波信号。（30分）

评分标准：

（１）范围满足设计要求得满分，否则酌情扣分。

（２）输出信号无明显失真可满分，有明显失真酌情扣分。

发挥部分（附加10分）：

进一步扩大输出信号范围和减小步进频率。

第三篇：开题报告, 单片机实现一个简单的信号发生器

单片机实现一个简单的信号发生器

一、课题来源及研究的目的和意义

1.1课题来源

教师虚拟。

1.2研究的目的及意义

本课题是基于单片机的信号发生器的设计。研究本课题可以熟悉c语言，MATLAB及相关电子器件的功能和用法。通过对单片机硬件、软件的设计，及硬件与软件的联调后可以进一步熟悉相关的知识，提高利用所学知识解决实际问题的能力。

二、课题所涉及的问题在国内（外）研究现状分析

单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算、逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器，随机存取数据存储器，只读程序存储器，输入输出电路等电路集成到一块单块芯片上，构成一个体积小，然而功能较完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。

单片机诞生20世纪70年代。当时微电子技术正处于发展阶段，集成电路也属于中规模发展时期，各种新材料新工艺尚未成熟，单片机仍处在初级的发展阶段，元件集成规模还比较小，功能比较简单。1976年INTEL公司推出了MCS-48单片机，这个时期的单片机才是真正的8位单片微型计算机，并推向市场。到了80年代初，单片机已发展到了高性能阶段，像INTEL公司的MCS-51系列。九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户。1990年美国INTEL公司推出了80960超级32位单片机引起了计算机界的轰动，产品相继投放市场，成为单片机发展史上又一个重要的里程碑。我国的单片机应用始于80年代，虽然发展迅速，但相对于世界市场我国的占有率还很低。到目前为止，由于我国的微电子技术和制造工艺都比较落后及国外单片机的竞争等原因，我国还没有设计生产出自己的单片机。国内的单片机目前注重的还只是低中档的应用，普遍采用的是8或16位的单片机，对宏单片机和DSP等高档的应用还处于初始阶段。

Keil是一个优秀的单片机C语言编译器，他几乎支持所有51系列的单片机的汇编语言，和c语言编程。

Keil Software 的8051开发工具提供以下程序，你可以用它们来编译你的C源码，汇编你的汇编源程序，连接和重定位你的目标文件和库文件，创建HEX文件，调试你的目标程序。

Windows应用程序uVision2是一个集成开发环境，它把项目管理，源代码编辑，程序调试等集成到一个功能强大的环境中。

C51美国标准优化C交叉编译器从你的C源代码产生可重定位的目标文件。



A51宏汇编器从你的8051汇编源代码产生可重定位的目标文件。

BL51连接/重定位器组合你的由C51和A51产生的可重定位的目标文件，生成绝对目标文件。

LIB51库管理器组合你的目标文件，生成可以被连接器使用的库文件。OH51目标文件到HEX格式的转换器从绝对目标文件创建Intel HEX 格式的文件。

RTX-51实时操作系统简化了复杂和对时间要求敏感的软件项目。

软件开发流程C运行连接库包含一些标准的子程序，如:格式化输出，数字转换，浮点运算。

由于程序的模块结构技术，使得现有的程序段可以很容易的包含到新的程序中去。

ANSI 标准的C语言是一种丰常方便的，获得广泛应用的，在绝大部分系统中都能够很容易得到的语言。

因此，如果需要，现有的程序可以很快地移植到其他的处理器上，节省投资。代码优化

C51是一个杰出的优化编译器，它通过很多步骤以确保产生的代码是最有效率的（最小和/或最快）。编译器通过分析初步的代码 产生最终的最有效率的代码序列，以此来保证你的C语言程序占用最少空间的同时运行的快而有效。

C51编译器提供9个优化级别。每个高一级的优化级别都包括比它低的所有优化级别的优化内容。以下列出的是目前C51编译器提供的所有优化级别的内容：常量折叠：在表达式及寻址过程中出现的常量被综合为一个单个的常量。跳转优化：采用反转跳转或直接指向最终目的的跳转，从而提升了程序的效率。

哑码消除：永远不可能执行到的代码将自动从程序中剔除。

寄存器变量：只要可能，局部变量和函数参数被放在CPU寄存器中，不需要为这些变量再分配存储器空间。

通过寄存器传递参数：最多三个参数通过寄存器传递。

消除全局公用的子表达式：只要可能，程序中多次出现的相同的子表达式或地址计算表达式将只计算一次。

合并相同代码：利用跳转指令，相同的代码块被合并。

重复使用入口代码：需要多次使用的共同代码被移到子程序的前面以缩减代码长度。

公共块子程序：需要重复使用的多条指令被提取组成子程序。指令被重新安排以最大化一个共用子程序的长度。

三、任务要求及实现预期目标的可行性分析

3.1课题的任务要求

单片机实现简单的信号发生器设计的要求运用单片机系统控制产生多种波形，这些波形包括方波、三角波、锯齿波、正弦波等。信号发生器所产生的波形的频率、幅度均可调节。并可通过软件任意改变信号的波形。

基本要求：

1.产生三种以上波形。如正弦波、三角波、矩形波等。

2.最大频率不低于 500Hz。并且频率可按一定规律调节，如周期按1T,2T,3T,4T或1T，2T，4T，8T变化。

3.幅度可调，峰峰值在0——5V之间变化。

扩展要求：产生更多的频率和波形。

3.2可行性分析

波形发生器是一种常用的信号源，在自动控制系统设计、调试和电子实验过程中，经常会遇到需要不同频率的正弦波、矩形波、三角波等信号作为信号源。目前国内生产的波形发生器大部分是利用分立元件组成的，然后根据具体的需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。这种波形发生器输出频率范围窄且电路设计参数设定比较繁琐，其频率的大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现不同濒率范围值的测量，电路设计复杂、操作不便。且体积大，可靠性、准确性都比较差，不能满足科研、生产的要求。利用单片机芯片和外接少量的元器件，能制成质量技术指标先进，结构轻巧，价格低廉，用途广泛的波形发生器。它既可以用坐一般低频放大器频响测试，失真分析、电路瞬态响应测试、线性分析，也可以做成各种信号源。

在上述的基础上，如利用单片机进行控制，那么仪器的功能和准确度将有一个飞跃，即成为多功能智能波形发生器，该仪器电路结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求是不成问题的，并且其成本低、体积小，更容易被大家接受，而且还可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。

四、需要重点研究的、关键的问题及解决的思路

本课题主要是设计用单片机实现一个简单的信号发生器，运用c语言编程进行设计，然后采用matlab进行仿真。主要就是要确定所需要的信号的类型，有正弦波，三角波，方波等。

用系统中的应用软件是根据系统功能要求而设计的，能可靠地实现系统的各种功能。系统的应具有下列特点：

(1)根据软件功能要求，将系统软件分成若干个独立的部分。设计出软件的总体结构，使其结构清晰、流程合理。

(2)要树立结构化程序设计风格，各功能程序模块化、子程序化。既便于调试、链接，又便于移植、修改。

(3)建立正确的数学模型。即根据功能要求，描述各个输入和输出变量之间的数学关系，它是关系到系统好坏的重要因素。

(4)为提高软件设计的总体效率，以简明、直观法对任务进行描述，在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。

(5)要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时数器、中断资源等。

(6)注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。

(7)加强软件抗干扰设计，它是提高系统应用可靠性的有利措施。

当写好了程序之后就是要设计matlab中的仿真过程，看是否符合要求，当一切顺利之后就烧到单片机内，进行实践。

五、必须的工作条件及解决办法

5.1开发环境

操作系统：Windows XP。

应用软件：MATLAB7.0，keil C 5.2开发工具

C言是1972年由美国的Dennis Ritchie设计发明的，并首 次在UNIX操作系统的 DEC PDP-11 计算机上使用。它由早期的编程语言BCPL(Basic Combind Programming Language)发展演变而来，在1970年,AT&T贝尔实验室的Ken Thompson根据BCPL语言设计出较先进的并取名为B的语言,最后导致了C语言的问世。

随着微型计算机的日益普及,出现了许多C语言版本。由于没有统一的标准, 使得这些C语言之间出现了一些不一致的地方。为了改变这种情况,美国国家标准研究所(ANSI)为C语言制定了一套ANSI标准，成为现行的C语言标准。C语言是世界上流行、使用最广泛的高级程序设计语言之一。在操作系统和系统使用程序以及需要对硬件进行操作的场合，用C语言明显优于其它高级语言，许多大型应用软件都是用C语言编写的。C语言具有绘图能力强，可移植性，并具备很强的数据处理能力，因此适于编写系统软件，三维，二维图形和动画它是数值计算的高级语言。

六、工作方案及进度计划

第1周——第3周：阅读相关参考资料，并做好课题的需求分析。

第4周——第6周：根据相关的参考资料，设计课题的系统结构。

第7周——第8周：完成开题报告的写作。

第9周——第10周：信号发生器控制原理熟悉,总体方案的拟定。

第11周——第13周：信号发生器模块的软件编程和设计。

第14周——第16周：系统软件调试以及软件的模拟仿真，从而不断完善设计。第17周——第18周：论文交指导教师和评阅教师评阅，定终稿。

第19周——第20周： 准备答辩。

七、参考文献

[1]余永权，李小青，陈林庚.单片机应用系统的功率接口技术.[M]北京航空航天大学出版社，1992.[2]邵时，沈建华，王荣良.微机接口与通信实践教程[M].华东师范大学出版社，1997.[3]张毅刚，修林成，胡振江.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔冰工业大学出版社，1992

[4]盛琳阳，孙菊江.微型计算机原理[M].西安电子科技大学出版社，2000

[5]程全.基于AT89C52实现的多种波形发生器的设计[J].周口师范学院学报，2005.[6]周明德.微型计算机系统原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2002.[7]刘乐善.微型计算机接口技术及应用[M].北京：航空航天大学出版社，2001.[8]童诗白.模拟电路技术基础[M].北京：高等教育出版社，2000.[9]陈慈发.微型计算机技术[M].高等教育出版社，2005.[10]汪文.单片机原理及应用[M]，华中科技大出版社，2007.[11]张洪润.单片机应用设计200例[M]，航空航天大学出版社，2006.[12]孙传友，孙晓斌.测控系统原理与设计[M].北京航空航天大学出版社,2002.[13]陈海宴.51单片机原理及应用—基于keil C与Proteus[M].北京航空航天大学出版社，2007.[14]徐爱钧.Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与u Vision2应用实践[M].电子工业出版

社，2004

[15]徐爱钧.单片机高级语言C51 Windows环境编程与应用[M].电子工业出版社，2000

[16]马忠梅.单片机的c语言程序设计[M].北京航空航天大学出版社，2007

[17]汪文.单片机原理及应用[M].华中科技大出版社，2007.[18]马刚.用Proteus和Keil整合构建单片机虚拟仿真平台[M]，现代电子技术，2006.[19]宁成军.基于Proteus和Keil接口的单片机外围硬件电路仿真[M]，现代电子技术，2006.[20]朱善君.单片机接口技术与应用[M]，清华大学出版社，2005.

第四篇：函数信号发生器论文

函数信号发生器的设计与制作

系别：电子工程系 专业：应用电子技术 届：XX届 姓名：XXX 摘 要

本系统以ICL8038集成块为核心器件，制作一种函数信号发生器，制作成本较低。适合学生学习电子技术测量使用。ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路，只需要个别的外部元件就能产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。另外由于该芯片具有调制信号输入端，所以可以用来对低频信号进行频率调制。

关键词 ICL8038，波形，原理图，常用接法

一、概述

在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。

二、方案论证与比较

2.1·系统功能分析

本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案：

2.2·方案论证

方案一∶采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

方案二∶采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。

方案三：采用8038单片压控函数发生器，8038可同时产生正弦波、方波和三角波。改变8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz～300KHz。

三、系统工作原理与分析

3.1、ICL8038的应用

ICL8038是精密波形产生与压控振荡器，其基本特性为：可同时产生和输出正弦波、三角波、锯齿波、方波与脉冲波等波形；改变外接电阻、电容值可改变，输出信号的频率范围可为0.001Hz～300KHz；正弦信号输出失真度为1%；三角波输出的线性度小于0.1%；占空比变化范围为2%～98%；外接电压可以调制或控制输出信号的频率和占空比（不对称度）；频率的温度稳定度（典型值）为120*10-6（ICL8038ACJD）～250*10-6（ICL8038CCPD）；对于电源，单电源（V+）：+10～+30V，双电源（+V）（V-）：±5V～±15V。图1-2是管脚排列图，图1-2是功能框图。8038采用DIP-14PIN封装，管脚功能如表1-1所示。

3.2、ICL8038内部框图介绍

函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示（图1-1），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；充点电流Is1、Is2的大小由外接电阻决定。当Is1=Is2时，输出三角波，否则为矩尺波。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。

3.3、内部框图工作原理

★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。

3.4、方案电路工作原理（见图1-7）

当外接电容C可由两个恒流源充电和放电，电压比较器Ⅰ、Ⅱ的阀值分别为总电源电压（指+Vcc、-VEE）的2/3和1/3。恒流源I2和I1的大小可通过外接电阻调节，但必须I2＞I1。当触发器的输出为低电平时，恒流源I2断开，恒流源I1给C充电，它的两端电压UC随时间线性上升，当达到电源电压的确2/3时，电压比较器I的输出电压发生跳变，使触发器输出由低电平变为高电平，恒流源I2接通，由于I2＞I1（设 I2=2I1），I2将加到C上进行反充电，相当于C由一个净电流I放电，C两端的电压UC又转为直线下降。当它下降到电源电压的1/3时，电压比较器Ⅱ输出电压便发生跳变，使触发器输出为方波，经反相缓冲器由引脚9输出方波信号。C上的电压UC，上升与下降时间相等（呈三角形），经电压跟随器从引脚3输出三角波信号。将三角波变为正弦波是经过一个非线性网络（正弦波变换器）而得以实现，在这个非线性网络中，当三角波的两端变为平滑的正弦波，从2脚输出。

其中K1为输出频段选择波段开关，K2为输出信号选择开关，电位器W1为输出频率细调电位器，电位器W2调节方波占空比，电位器W3、W4调节正弦波的非线性失真。

图1-1

3.5、两个电压比较器的电压传输特性如图1-4所示。

图1-4

3.6、常用接法

如图（1-2）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（1-5）所示为ICL8038最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。

图1-5

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，可采用如图（1-6）所示电路，电阻20K与电位器RW2用来确定8脚的直流电压V8，通常取V8≥2/3Vcc。V8越高，Ia、Ib越小，输出频率越低，反之亦然。RW2可调节的频率范围为20HZ20~KHZ。V8还可以由7脚提供固定电位，此时输出频率f0仅有Ra、Rb及10脚电容决定，Vcc采用双对电源供电时，输出波形的直流电平为零，采用单对电源供电时，输出波形的直流电平为Vcc/2。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可使电路振荡频率最大值与最小值之比达到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，最高频率与最低频率之差可达1000:1。

3.7、实际线路分析

可在输出增加一块LF35双运放，作为波形放大与阻抗变换，根据所选择的电路元器件值，本电路的输出频率范围约10HZ～20KHZ；幅度调节范围：正弦波为0～12V，三角波为0～20V，方波为0～24V。若要得到更高的频率，还可改变三档电容的值。

图1-6

表 1-1 ISL8038管脚功能

管 脚 符 号 功 能

1，12 SINADJ1，SINADJ2 正弦波波形调整端。通常SINADJ1开路或接直流电压，SINADJ2接电阻REXT到V-，用以改善正弦波波形和减小失真。SINOUT 正弦波输出TRIOUT 三角波输出

4，5 DFADJ1，DFADJ2 输出信号重复频率和占空比（或波形不对称度）调节端。通常DFADJ1端接电阻RA到V+，DFADJ2端接RB到V+，改变阻值可调节频率和占空比。V+ 正电源 FMBIAS 调频工作的直流偏置电压FMIN 调频电压输入端SQOUT 方波输出 C 外接电容到V-端，用以调节输出信号的频率与占空比V-负电源端或地

13，14 NC 空脚

四、制作印刷电路板

首先，按图制作印刷电路板，注意不能有断线和短接，然后，对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接。可根据自己的习惯并遵循合理的原则，将面板上的元器件安排好，尽量使连接线长度减少，变压器远离输出端。再通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使之处于放大状态，并满足振幅起振条件。仔细检查反馈条件，使之满足正反馈条件，从而满足相位起振条件。

制作完成后，应对整机进行调试。先测量电源支流电压，确保无误后，插上集成快，装好连接线。可以用示波器观察波形发出的相应变化，幅度的大小和频率可以通过示波器读出。

五、系统测试及误差分析

5.1、测试仪器

双踪示波器 YB4325(20MHz)、万用表。

5.2、测试数据

基本波形的频率测量结果

频率/KHz

正弦波 预置 0.01 0.02 2 20 50 100

实测 0.0095 0.0196 2.0003 20.0038 50.00096 100.193 方波 预置 0.01 0.02 2 20 50

实测 0.095 0.0197 1.0002 2.0004 20.0038 三角波 预置 0.01 0.02 1 2 20 100

实测 0.0095 0.0196 1.0002 2.0004 20.0038 100.0191 5.3、误差分析及改善措施

正弦波失真。调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。

输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。

没有振荡。是10脚与11脚短接了，断开就可以了

产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。

5.4、调试结果分析

输出正弦波不失真频率。由于后级运放上升速率的限制，高频正弦波（f>70KHz）产生失真。输出可实现0.2V步进，峰-峰值扩展至0～26V。

图1-2

图 1−7

六、结论

通过本篇论文的设计，使我们对ICL8038的工作原理有了本质的理解，掌握了ICL8038的引脚功能、工作波形等内部构造及其工作原理。利用ICL8038制作出来的函数发生器具有线路简单，调试方便，功能完备。可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。

七、参考文献

【1】谢自美《电子线路设计.实验.测试（第三版）》武汉：华中科技大学出版社。2000年7月

【2】杨帮文《新型集成器件家用电路》北京：电子工业出版社，2002.8

【3】第二届全国大学生电子设计竞赛组委会。全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编。北京：北京理工大学出版社，1997.【4】李炎清《毕业论文写作与范例》厦门：厦门大学出版社。2006.10

【5】潭博学、苗江静《集成电路原理及应用》北京：电子工业出版社。2003.9 【6】陈梓城《家用电子电路设计与调试》北京：中国电力出版社。2006

第五篇：函数信号发生器设计任务书

目录

一、设计的任务和要求............................................................................二、已知条件...................................................................三、函数发生器的具体方案...................................................................1 总的原理框图及总方案..............................................................2 各组成部分工作原理..................................................................3总电路图........................................................................................四、电路的参数选择与仿真.................................................................五、实验结果分析..............................................................附录:电

路

原

理

和

元

器

件

列表..........................................................................................一． 设计的任务和要求

1.设计任务

设计方波—三角波—正弦波函数信号发生器 2.设计目的

（1）巩固和加深对电子电路基本知识的理解，提高综合运用本课程所学知识的能力。

（2）培养根据课题需要选学参考书籍,查阅手册、图表和文献资料的自学能力。通过独立思考，深入钻研有关问题，学会自己分析并解决问题的方法。

（3）通过电路方案的分析、论证和比较，设计计算和选取元器件；初步掌握简单实用电路的分析方法和工程设计方法。

（4）了解与课题有关的电子电路以及元器件的工程技术规范，能按设计任务书的要求，完成设计任务，编写设计说明书，正确地反映设计与实验的成果，正确地绘制电路图等。

（5）培养严肃、认真的工作作风和科学态度。

3.性能指标要求

（1）输出波形：正弦波、方波、三角波等；（2）频率范围：10Hz～500Hz；

（3）输出电压：方波Up-p<=24V,三角波Up-p>10V,正弦波U>1.5V； 波形特征：方波tr<100μS，三角波失真系数THD<2%，正弦波失真系数THD<5%。

二、已知条件：

双运放358一只、三极管3DG6四只（β约为60）

三、函数发生器的具体方案

1.总的原理框图及总方案

图1 函数信号发生器原理图

多波形信号发生器方框图如图1所示。

本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。并采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法：

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

2.各组成部分的工作原理

2.1 方波---三角波转换电路的工作原理

图2 方波-三角波转换电路

图2为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放uA741。

工作原理如下：

若a点断开，运算发大器A1（左）与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放A2（右）与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为

UO21UO1dt

(R4RP2)C2(VCC)VCCtt

(R4RP2)C2(R4RP2)C2VCC(VEE)tt

(R4RP2)C2(R4RP2)C

2当UO1VCC时，UO2 当UO1VEE时，UO2由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图3所示

图3 方波--三角波波形关系

若a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。

三角波的幅度为：UO2mR2VCC

R3RP1R3RP1

4R2(R4RP2)C2方波-三角波的频率f为： f

由以上两式可以得到以下结论：

1.电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。

2.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

2.2 三角波—正弦波转换电路工作原理

图4 三角波—正弦波转换电路

图（4）为实现三角波—正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。差分放大器采用单入单出方式。三角波-正弦波波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

差分放大器传输特性曲线的非线性及三角波-正弦波变换原理如下图：

图5 三角波-正弦波变换原理

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

IC2aIE2aI0aI0IaI

C1E11eUid/UT1eUid/UT上式中：aIC/IE1；I0—差分放大器的恒定电流；

UT—温度的电压当量，当室温为25℃时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

UidT4UmT0ttT42

4Umt3TTtT4T2式中：Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图5可知：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

3.总电路图

整个设计电路如图6所示：

图6 方波—三角波—正弦波函数信号发生器

四、电路的参数选择与电路仿真

本课题采用Multisim 7作为仿真软件。

Multisim是Interactive Image Technologies(Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

Multisim 7通过直观的电路图捕捉环境, 轻松设计电路；通过交互式SPICE仿真, 迅速了解电路行为；借助高级电路分析, 理解基本设计特征；本课题使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路行为进行仿真。

1.方波--三角波部分

参数选择：取才C2=0.47μ

F，C2的取值很重要，按照你电阻的值，要取相应的值，取值不对，会直接影响到你波形输出与否。

调节RP1和RP2，微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。

方波-三角波电路的仿真：

在Multisim 7中按方波-三角波转换电路图（图2）接线。调节Rp1和Rp2到设定值，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形。

仿真电路图如下：

图7 方波—三角波仿真电路图 2.三角波--正弦波部分

参数选择：C4=470Μf,C5=C6=0.1μF；R6= 5.1KΩ（R6阻值只要大于5）

三角波--正弦波电路的仿真：

在Multisim 10.1中按方波-三角波转换电路图（图4）接线。保证参数正确，检查无误后，在正确位置接上示波器观察输出波形。

仿真电路图如下：

图8 三角波—正弦波仿真电路图

方波—三角波—正弦波函数发生器仿真电路图如下：

图9 方波—三角波—正弦波函数发生器仿真电路图

五、实验结果分析

方波—三角波—正弦波函数发生器电路是分成两个部分来做的，先做方波—三角波产生电路，再做三角波—正弦波变换电路，然后把两张图用线连接成一张完整的大图。

方波—三角波产生电路中的C1其实可以去掉不要的，如果要用的话，取值要比较小，这样才不会影响电路。我的RP2的阻值是200Ω，开始设置的C2是0.1μF，但是总是出不来波形，后来老师说，C2的值太小了。经过我多次的试验，发现0.47μF是最为合适的。最后还要调节RP1和RP2，确保频率范围为10Hz～500Hz。

三角波—正弦波变换电路中C1=470μF，C5=C6=0.1μF，R6=5.1KΩ。R6开始设的值是3.3KΩ，然后仿真就是没有波形出来，问了同学，研究了一会儿，也才知道，R6的阻值必须要大于5KΩ，这样之后才有波形出来了。最后还是一样的，调节Rb1,，测试频率范围。

最后当两张图连在一起之后，不仅要看波形，还要测试输出电压：方波Up-p<=24V,三角波Up-p>10V,正弦波U>1.5V。当一切要求都满足之后，所有的函数发生器设计就完成了。

像做这种实验，要的必须是耐心，还有朋友的帮助，老师的指导，必须做到齐心协力，否则成功的几率是非常小的。

附录1：电路原理图

附录二：元器件清单

直流稳压电源：一台 低频信号发生器：一台 低频毫伏表：一台 双踪示波器：一台 万用表：一块 晶体管图示仪：一台 失真度测试仪：一台 电阻：100Ω：1个

1KΩ：2个

2KΩ：2个

3.3KΩ：1个

5.1KΩ：3个

10KΩ：3个

KΩ:2个 滑动变阻器：47KΩ：2个

200KΩ：一个

1KΩ：一个 电容：0.1μF：两个

0.47μF：一个

10μF：一个

470μF：一个

三极管3DG6:四个 双运放358：一只