函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、.函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 摘要函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種能能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途?，F(xiàn)在我們通過對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理以及構(gòu)成設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的簡(jiǎn)易發(fā)生器。我們通過對(duì)電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最適合本課題的方案。在達(dá)到課題要求的前提下保證最經(jīng)濟(jì)、最方便、最優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。按照設(shè)計(jì)的方案選擇具體的原件，焊接出具體的實(shí)物圖，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)焊接好的實(shí)物圖進(jìn)行調(diào)試，觀察效果并與課題要求的性能指標(biāo)作對(duì)比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。關(guān)鍵字：方案確定、參數(shù)計(jì)算、調(diào)試、誤

2、差分析。1.1問題的提出設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)發(fā)生器使得能夠產(chǎn)生方波、三角波、正弦波。1、 主要技術(shù)指標(biāo)頻率范圍 10Hz100Hz，100Hz1000Hz，1kHz10kHz頻率控制方式 通過改變RC時(shí)間常數(shù)手控信號(hào)頻率通過改變控制電壓Uc實(shí)現(xiàn)壓控頻率VCF 輸出電壓 正弦波Upp3 V 幅度連續(xù)可調(diào); 三角波Upp5 V 幅度連續(xù)可調(diào); 方波Upp14 V 幅度連續(xù)可調(diào). 波形特性 方波上升時(shí)間小于2s； 三角波非線性失真小于1%； 正弦波諧波失真小于3%。2、 設(shè)計(jì)要求（1） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實(shí)驗(yàn)室條件自選方案設(shè)計(jì)出原理電路圖，分析工作原理，計(jì)算元件參數(shù)。（2） 列出所有元、器件清單報(bào)實(shí)驗(yàn)室備件

3、。（3） 安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。（4） 記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.2基本原理1、 函數(shù)發(fā)生器的組成函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。1.3提出解決問題的方案及選取1、三角波變換成正弦波由運(yùn)算放大器單路及分立元件構(gòu)成，方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器電路組成如圖1所示，由于技術(shù)難點(diǎn)在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細(xì)介紹三角波到正弦波的變換。 圖1（1） 利用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波正弦波的變

4、換波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖2所示。由圖可以看出，傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度Uim應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。 圖2方案一：用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器（2） 用二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波正弦波的變換 二極管折線近似電路 圖3根據(jù)二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波正弦波的變換的原理圖，可得其輸入、輸出特性曲線如入3所示。頻率調(diào)節(jié)部分設(shè)計(jì)時(shí)，可先按三個(gè)頻率段給定三個(gè)電容值：1000pF、0.01f、0.1F然后再計(jì)算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對(duì)方波前后沿時(shí)間的要

5、求，以及正弦波最高工作頻率（10kHz）的要求，在積分器、比較器、正弦波轉(zhuǎn)換器和輸出級(jí)中應(yīng)選用Sr值較大的運(yùn)放（如LF353）。為保證正弦波有較小的失真度，應(yīng)正確計(jì)算二極管網(wǎng)絡(luò)的電阻參數(shù)，并注意調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度和對(duì)稱度。輸入波形中不能含有直流成分。方案二：用二極管折線近似電路以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器（3）圖是由A741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當(dāng)8腳與一連續(xù)可調(diào)的直流電壓相連時(shí)，輸出頻率亦連續(xù)可調(diào)。當(dāng)此電壓為最小值（近似為0）時(shí)。輸出頻率最低，當(dāng)電壓為最大值時(shí)，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用范圍是03V。由于5G8038本身的線性度僅在掃描頻率范圍10：1

6、時(shí)為0.2%，更大范圍（如1000：1）時(shí)線性度隨之變壞，所以控制電壓經(jīng)A741后再送入5G8038的8腳，這樣會(huì)有效地改善壓控線性度（優(yōu)于1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時(shí)輸出頻率可由下式?jīng)Q定： f=0.3/RC4 設(shè)函數(shù)發(fā)生器最高工作頻率為2kHz，定時(shí)電容C4可由上式求得。 電路中RP3是用來調(diào)整高頻端波形的對(duì)稱性，而RP2是用來調(diào)整低頻端波形的對(duì)稱性，調(diào)整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩(wěn)壓管VDz是為了避免8腳上的負(fù)壓過大而使5G8038工作失常設(shè)置的。方案三：用單片集成函數(shù)發(fā)生器5G8038可行性分析：上面三種方案中，方案一與方案二中三角波正弦波部分原理雖然不一樣，但

7、是他們有共通的地方就是都要認(rèn)為地搭建波形變換的電路圖。而方案三采用集成芯片使得電路大大簡(jiǎn)化，但是由于實(shí)驗(yàn)室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因?yàn)樗菭奚顺杀緛頁(yè)Q取的方便。其次是對(duì)方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運(yùn)放和三極管等電器原件，方案二是用的二極管、電阻、三極管、運(yùn)放等電器原件，所以從簡(jiǎn)單而且便于購(gòu)買的前提出發(fā)我們選擇方案一為我們最終的設(shè)計(jì)方案。1.4參數(shù)的確定1、 從電路的設(shè)計(jì)過程來看電路分為三部分：正弦波部分方波部分三角波部分2、 正弦波部分由于我們選取差分放大電路對(duì)三角波正弦波進(jìn)行變換，首先要完成的工作是選定三極管，我們現(xiàn)在選擇KSP2222A型的三極管，

8、其靜態(tài)曲線圖像如右圖所示。 根據(jù)KSP2222A的靜態(tài)特性曲線，選取靜態(tài) 工作區(qū)的中心由直流通路有：20 k k因?yàn)殪o態(tài)工作點(diǎn)已經(jīng)確定，所以靜態(tài)電流變成已知。根據(jù)KVL方程可計(jì)算出鏡像電流源中各個(gè)電阻值的大?。嚎傻?3、 方波部分與三角波部分參數(shù)的確定根據(jù)性能指標(biāo)可知由,可見f與c成正比，若要得到1Hz10Hz，C為10。10Hz100Hz,C為1。則=7.5k75k，則=5.1k則=2.4k或者=69.9 k取100 k由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v，有=10k則47 k，=20 k根據(jù)方波的上升時(shí)間為兩毫秒，查詢運(yùn)算放大器的速度，可以選擇74141型號(hào)的運(yùn)放。由此可得

9、調(diào)整電阻：七、實(shí)務(wù)圖的焊接和調(diào)試1、按照方案一的電路圖焊接好電路板。2、調(diào)試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.（1）頻率范圍:為便于測(cè)量,將電路板上的方波信號(hào)接入示波器,并合上C1=10µF的開關(guān)，斷開C2=1uF的開關(guān),然后調(diào)節(jié)RP2,并測(cè)出此時(shí)方波信號(hào)頻率的變化范圍;斷開C1的開關(guān),合上C2的開關(guān),按照同樣的方法調(diào)節(jié)RP2并記錄方波信號(hào)頻率的變化范圍,結(jié)果如下: 電容頻率10µF1Hz30Hz1uF27.47316Hz 以上頻率并未完全到達(dá)要求的指標(biāo)范圍，經(jīng)分析，原因在于：通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)頻率范圍整體下移，這里可能存在兩個(gè)原因，第一是反饋通

10、道上的存在磨損，使電阻值達(dá)不到計(jì)算的數(shù)值。第二是三角波運(yùn)放上的反向端的電阻也存在一樣的問題。（2）輸出電壓： 方波： 電路板上方波信號(hào)接入示波器，調(diào)節(jié)RP1,測(cè)得方波峰峰Vpp=14V，可見所得值與性能指標(biāo)中的一致。 三角波：撤除方波信號(hào)并接入三角波信號(hào)，調(diào)節(jié)RP1, 測(cè)得三角波峰峰值Upp=5V也能達(dá)到課題的要求。 正弦波：將正弦波信號(hào)接入示波器，調(diào)節(jié)RP3和RP4,測(cè)得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達(dá)課題要求。3、波形特性測(cè)定: 方波上升時(shí)間: 將電路板上的方波信號(hào)接入示波器,調(diào)節(jié)示波器上周期調(diào)節(jié)旋鈕,直到能清楚觀測(cè)到方波信號(hào)上升沿處的躍變,測(cè)得方波上升時(shí)間為: tr=6.4&

11、#181;s分析：上升時(shí)間達(dá)不到要求，這個(gè)可以用換運(yùn)放類型來解決。通過改變運(yùn)放的速度來改變其上升時(shí)間。 三角波非線形失真:撤除方波信號(hào),將電路板上三角波信號(hào)接入示波器通道1,測(cè)得此時(shí)的三角波信號(hào)參數(shù)如下:頻率: f=98.42Hz峰峰值: Upp=5V此時(shí)將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入示波器的通道2,并調(diào)節(jié)其頻率及峰峰值,使之與要測(cè)試的三角波信號(hào)參數(shù)一致(f=98.42Hz,Upp=5V).在示波器上的雙蹤模式下比較,發(fā)現(xiàn)兩通道的三角波完全重合,說明無非線形失真. 正弦波嚴(yán)重失真:分析：由于調(diào)節(jié)平衡的滑動(dòng)變阻器的一只引腳壞掉了，我自己拿一根導(dǎo)線將其接好，所以導(dǎo)致電路的不對(duì)成性，使得靜態(tài)工作點(diǎn)偏離原定的位置，故導(dǎo)致此結(jié)果。 1.5心得體會(huì) 通過對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師為什么要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教