如何设计一个多级分频电路

1、考虑中低单元指向性实用边界频率f=345/d（d=单元振膜有效直径）。通常8”单元的边界频率为2k，6.5”单元的边界频率为2.7k，5”单元为3.4k，4”单元为4.3k。也就是说使用上述单元，其分频点不能大于各单元所对应的实用边界频率。

2、从高音单元谐振频率考虑，分频点应大于三倍的谐振频率。也就是说从高音单元的角度出发，通常分频点应大于2.5k。

3、考虑中低音单元高端响应Fh，通常分频点不应大于1/2Fh。实际上，二分频音箱上述条件很难得到同时满足。这时设计者应在这三者中有一个比较好的折中选择。但必须强调的是，第一个条件即实用边界频率应该优先满足。

4、三分频的情况下，通常应将两个分频点隔得愈远（应在三个倍频程以上），组合后的系统响应会变得愈好。否则，将会出现复杂的干扰辐射现象。

5、低音与中音的分频点应考虑人声声像定位的问题。应使人声的重放尽可能由中音单元来承担，以避免人声的声像定位音色发生过大的变化。这一点往往容易被设计者所忽视。通常这一分频点应为200-300Hz

我们知道，人可以听到的声音的频率范围是在20Hz—20kHz之间，祈望仅使用一只扬声器就能够保证放送20Hz—20kHz这样宽频率的声音是很难做到的，因为这会在技术上存在各种各样的问题和困难。所以，在通常情况下，高质量的放音系统为了保证再现声音的频率响应和频带宽度，在专业范畴内大都采用高低音分离式音箱放音。而采用高低音分离式音箱放送声音时，就必然要对声音按频段分离，将声音按频率分段的个数就是声音分频数。

声音的分频主要是受扬声器的控制，因为绝大多数扬声器都有自己最适合的频率范围，真正的高质量全频扬声器非常少见并且价格极端昂贵。同时为了克服不同频率声音扬声器引起的切割失真和减少同一音箱中的不同扬声器之间产生的声音干涉现象，必须对声音进行分频，将不同频段的声音送入不同的扬声器。

从分频方式看可以分为两种，一种是主动分频（PassiveCrossover），或者叫电子分频，也可以叫外置分频、有源分频；另一种是被动分频（ActiveCrossover），或者叫功率分频，也可以叫内置分频、无源分频。主动分频是指分频器不在音箱内部，而在功率放大之前，由于此时声音信号很弱，因此容易将声音彻底分频，缺点是相应的电子线路分频点较为固定，不容易和不同扬声器配合，常见于高端和专业音响，随着多路功放的普及，主动分频方式比以前普及很多。被动分频是指分频器在音箱内，此时声音信号已经经过放大，分频电路会造成一定干扰，但音箱可以适用于不同功放。

最简单的分频就是二分频，将声音分为高频和低频，分频点需要高于低音喇叭上限频率的1/2，低于高音喇叭下限频率的2倍，一般的分频点在2K到5K之间。但是这样分频对低音照顾仍然不够完善，因为低音为了获得更好效果，往往需要单独处理，并且扬声器的切割失真对低音的影响也最大，因此近些年三分频逐渐流行起来。三分频是将声音分为低音、中音和高音，有两个分频点，低音分频点一般在200Hz以下，或者120Hz，甚至更低，高音分频点一般为2Hz－6KHz。此外也有少量的四分频或者多分频系统。显然更多分频数理论上更有利于声音的还原，但过多的分频点会造成整体成本上升，并且实际效果提升有限，因此常见的分频数仍然是二分频和三分频.

信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验室中经常使用的电子仪器之一。信号发生器可以有多种实现方法，而频率越高、产生波形越多的信号发生器越好，可以从信号发生器的制作条件及使用领域方面考虑其实现方法。文章用函数发生芯片ICL8038结合外围电路产生三角波、正弦波以及矩形波三种基本波形，再把产生的波形通过由ICM7216D、晶体、电容、开关及LED数码管等组成的显示电路显示出频率，而把波形产生电路产生的正弦波通过调频电路就会产生一个调频波。

关键词：ICL8038；信号发生器；调频电路；电子仪器

中图分类号：TP39　文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）05-0014-03 　信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验室中经常使用的电子仪器之一。在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。一般来说，频率越高、产生波形种类越多的发生器性能越好，但器件成本和技术要求也大大提高，因此在满足工作要求的前提下，性价比高的发生器是我们的首选。常见的信号发生器是用ICL8038制成的简单信号发生器，但这种信号发生器仅能产生正弦波、三角波和矩形波，而本文要研究的就是如何在ICL8038基础上结合其外围电路以及直接调频电路使其产生其他的信号。

一、总体设计

（一）信号发生器的设计框图

信号发生器框图如图 1所示：

图1 信号发生器设计框图

图1中，波形产生电路由单片集成电路函数发生器ICL8038及其外围电路组成，用来显示方波、正弦波及三角波；直接调频电路由石英晶体及变容二极管等组成，波形产生电路产生的正弦波经此电路会产生一个调频波；显示电路由单片频率计ICM7216D、晶体、电容、开关及LED数码管[11]等组成，用来显示输出波形的频率值。

（二）信号发生器的总电路图

信号发生器的总电路如图2所示：

二、各部分电路设计

（一）基于ICL8038的波形发生电路设计

ICL8038组成的函数发生器如图3所示。电阻R1与电位器 RP1用来确定8脚的直流电位U8，通常取U8≥2UCC/3。U8越高，IA和IB越小，输出频率越低，反之亦然。因此，ICL8038又称为压控振荡器（VCO）或频率调制器（FM）。RP1可调节的频率范围为20HZ～20KHZ。U8还可以由7脚提供固定电位，此时，输出频率f0仅由RA，RB及电容Ct决定。UCC采用双电源供电时，输出波形的直流电平为零。当采用单电源供电时，输出波形的直流电平为UCC/2。

（二）晶体振荡器的变容管直接调频电路设计

图4是100MHz晶体振荡器的变容管直接调频电路。图4中，T2管接成皮尔斯晶体振荡电路，并由变容管直接调频。T2管集电极上的谐振回路调谐在晶体振荡频率的三次谐波上，完成三倍频功能。T1管为音频放大器，将输入的信号放大后，经2.2μH的高频扼流圈加到变容管上。同时T1的电源电压也通过2.2μH高频扼流圈加到变容管上，作为变容管的偏置电压。

对晶体振荡器进行调频时，由于振荡回路中引入了变容二极管，因此频率稳定度相对于不调频的晶体振荡器有所降低。一般，其短期频率稳定度达到10-6数量级，长期频率稳定度达到10-5数量级。

图4 晶体振荡器的变容管直接调频电路

（三）基于ICM7216D的显示电路设计

显示电路是由单片频率计ICM7216D、晶体、电阻及电容等构成。ICM7216D是美国Intersil公司首先研制的专用测频大规模集成芯片。它是标准的28引脚的双列直插式集成电路，采用单一的+5V稳压电源工作。它内含高频振荡器、十进制计数器、七段译码器、位多路复用器、能够直接驱动LED显示器的8段一段码驱动器、8位一位码驱动器。其基本的测频范围为DC至10MHz，若加预置的分频电路，则上限频率可达40MHz或100MHz，单片频率计ICM7216D只要加上晶振、量程选择、LED 显示器等少数器件即可构成一个DC至40MHz的微型频率计，可用于频率测量，机械转速测量等方面的应用。

图5为基于ICM7216D的显示电路。用晶体和电容C1、C2构成的10MHz振荡频率作为基准频率，经ICM7216D内部分频后，产生闸门时间脉冲。用开关K选择量程。另用开关S1控制电路复位，S2可时电路处于保持状态。8个LED数码管的DP都与DP小数点输入脚（23脚）相连，由内部小数点逻辑单元产生正确的小数点位。当被测信号输出时，ICM7216D对其频率计数，8位LED逐位显示被测频率，从而实现测量和显示的目的。

具体工作过程为：使用一个2.5MHz的晶振及22MΩ的电阻、电容C1、C2来满足内部振荡器的正常工作。由于内部振荡器是一个高增益的CMOS反相器，因此用电阻与晶振并联以提供足够的偏压，此时芯片的基振为2.5MHz。如果使用1MHz晶振代替2.5MHz晶振需要将芯片的脚25、脚26之间的电容作些调整，这时芯片的基振为1MHz。另外芯片还允许使用外部振荡器，如果使用外部振荡器时，芯片的基频等于外部振荡电路的频率，此时芯片内部振荡电路仍在工作，但不影响芯片的正常测量。若内部振荡频率小于1MHz或只有外部振荡电路在工作时，必须将脚25、脚26连接在一起，以保证足够的悬挂电平。如果外部振荡电路输出为TTL 电平时，则需要在脚25、脚26之间接一个22MΩ的电阻，并且要将脚24、脚25连在一起，如果外部振荡电路的频率小于100KHz，则外部振荡电路对芯片不起作用，芯片仍以内部振荡电路的频率工作。

被测信号从脚28输入，如果输入信号较小，可以采用前置放大电路。如果输入信号较太，可以采用限幅电路。D1～D8八条位驱动线分别与八位LED的公共端相连，段驱动输出线a～g与LED相应的引脚相连将LED的第1至7位的小数点都与脚23连在一起，则由内部小数点逻辑单元产生正确的小数点位。八位LED是示器逐位显示，频率为500Hz ，位信号时间为244μs，两位显示之间有6μs的位空白时间，以防止重影。芯片的最大段驱动电流为15mA，额定段驱动电流为12mA。要增加显示亮度，可将电源电压增加到6V，在测量显示时，小数点左边的零被消除，右边的位照常显示。当被测信号的频率超出频率计的测量范围发生溢出时，芯片内部能够点亮第八位的小数点，表示此时发生溢出。

图5中，K为一个四档开关，用于选择不同的量程。S1为一个按键开关，当其按下时，脚12为低电平，主计数器停止计数，显示为零。当S2按下时，脚27为高电平，主计数器暂停计数，此时数据自锁并显示；当S2断开，主计数器才重新启动计数。由于复合控制输入端所用信号是位驱动信号，为避免复合控制信号影响位信号，使用二极管进行隔离，与芯片管脚1相连的电阻及电容的作用是降低噪声，减少干扰。

图5 基于ICM7216D的显示电路

（四）整形电路设计

由于ICM7216D芯片只能对脉冲信号进行计数，所以波形产生电路产生的正弦波和三角波要先进行整形，然后才能送进显示电路进行频率显示，而整形电路只需用一个与非门就可实现。本文选择了74LS20芯片进行整形。74LS20芯片引脚图如图6所示：

三、结果分析

本文采用±10V、5V直流电源供电，运用数字示波器显示输出波形。

信号发生器能输出正弦波、三角波、矩形波及调频波；正弦波、三角波、矩形波的最低频率为55.10Hz，最高频率为16.13KHz；正弦波的峰峰值可达到4.36V；三角波的峰峰值可达6.6V，占空比可在44.4%~50.4%之间调节；矩形波的峰峰值可达到20.2V，占空比则可在41.3%~57.5%之间调节；调频电路中的载波峰峰值为5.6V，频率为13.3MHz；显示电路由于加了4分频电路，则测频上限频率可达40MHz。

四、结语

本文是采用函数发生芯片ICL8038结合外围电路产生正弦波、三角波及矩形波，再把产生的正弦波输入晶体振荡器的变容管直接调频电路，产生调频波输出，各波形通过ICM7216D组成的显示电路显示出其频率。该系统完全由硬件构成，避免了编程方面的问题，电路简单，易于调试，产生的波形种类多。参考文献

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