函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

1、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電子儀器。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，使用的器件可以是分立器件（如視頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038）。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及設(shè)計(jì)、調(diào)試技術(shù)，本課題要求設(shè)計(jì)由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器。一、設(shè)計(jì)任務(wù)書1設(shè)計(jì)課題函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。2.主要技術(shù)指標(biāo)1）輸出波形：正弦波、方波、三角波等2）頻率范圍：10100Hz，1000HZKz3) 輸出電壓：方波Up-p=2

2、4V，三角波Up-p=6V，正弦波U>1V；4) 波形特征：方波tr<10s（1kHz，最大輸出時(shí)），三角波失真系數(shù)THD<2%，正弦波失真系數(shù)THD<5%。二、設(shè)計(jì)過程舉例1.課題分析根據(jù)任務(wù)，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器一般基本組成框圖如圖1所示。讀者可參閱有關(guān)參考資料，具體分析工作過程。 圖1 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器框圖2方案論證（1）確立電路形式及元器件型號(hào)1）方波-三角波電路圖2所示為產(chǎn)生方波-三角波電路。工作原理如下：若a點(diǎn)短開，運(yùn)算放大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。圖2方波-三角波產(chǎn)生電路由圖2分析可知比較器有兩個(gè)門限電壓運(yùn)

3、放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1時(shí)，則輸出積分器的電壓為當(dāng)Uo1=+VCC時(shí)當(dāng)Uo1=-VEE時(shí)可見積分器輸入方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖3所示。圖3 方波-三角波波形A點(diǎn)閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為 方波-三角波的頻率為由上分析可知：電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度上下微調(diào)，但會(huì)影響波形的頻率。2）三角波正弦波的變換三角波正弦波的變換主要由差分放大

4、器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是做直流放大器時(shí)，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性的非線性。其非線性及變換原理如圖4所示。圖4 三角波正弦波的變換原理 傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)越窄越好； 三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。圖5為三角波正弦波的變換的電路。其中RP1調(diào)節(jié)三極管的幅度，RP2調(diào)整電路的對稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來減少差分放大器的線性區(qū)。電容C1、C2、C3為隔直電容，C4為濾波電容，以減少濾波分量，改善輸出波形。 圖5 三角波正弦波變換電路整個(gè)設(shè)計(jì)電路采用如

5、圖6所示。其中運(yùn)算放大器A1、A2用一只雙運(yùn)放A747，差分放大器采用單入、單出方式，四只晶體管用集成電路差分對管BG319或雙三極管2SC9011、9013等。取電源電壓為±12V。2）計(jì)算元件參數(shù)比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計(jì)算如下：由于因此取R3=10k,則R3+RP1=30 k，取R3=20k, RP1為47 k的電位器。取平衡電阻R1=R2/（R3+RP1）10 k。因?yàn)楫?dāng)1Hzf10Hz時(shí)，取C2=10F，則R4+RP2=（757.5）k，取5.1 k，RP2為100 k電位器。當(dāng) 19Hzf100Hz，取C2=1F以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4、RP2的值不變。取平衡電

6、阻R5=10 k。三角波正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得大，因?yàn)檩敵鲱l率較低，取C3=C4=C5=470F，濾波電容C6一般為幾十皮法至0.1F。RE2=100與RP4=100，相并聯(lián)，以減少差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路圖根據(jù)以上設(shè)計(jì)，并將計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于電路中，可畫出實(shí)際方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路原理圖如圖6所示。 圖6方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路圖4安裝與調(diào)試圖6所示方波-三角-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級單元電路組成的，在裝調(diào)多級電路時(shí)，通常按照單元電路

7、的先后順序進(jìn)行分級裝調(diào)與級聯(lián)。（1）方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與三角波，這兩個(gè)單元電路可以同時(shí)安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，如設(shè)計(jì)舉例題中，應(yīng)先使RP1=10K，RP2?。?.570）內(nèi)的任一阻值,否則電路可能會(huì)不起振.只要電路接線正確,上電后,U01的輸出為方波,U02的輸出為三角波,微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,調(diào)節(jié)RP2,則輸出頻率在對應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變.（2）三角波-正弦波變換電路的裝調(diào)按照圖6所示電路，裝調(diào)三角波-正弦波變換電路，其中差分放大器可利用課題三設(shè)計(jì)完成的電路。

8、電路的調(diào)試步驟如下：1）經(jīng)電容C4輸入差模信號(hào)電壓uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R*，使傳輸特性曲線對稱。再逐漸增大uid，直到傳輸特曲線形狀如圖3-73所示，記下此時(shí)對應(yīng)的uid，即uidm值。移去信號(hào)源，再將C4左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。2）將RP3與C4連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波的輸出幅度經(jīng)RP3后輸出等于uidm值，這時(shí)U03的輸出波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C6大小可以改善輸出波形。如果U03的波形出現(xiàn)如圖4.2.21所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的相應(yīng)措施有：鐘形失真如圖7（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小RE2。半波圓頂或平頂失真如圖7（b）如示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下，應(yīng)調(diào)整電阻R*。非線性失真如圖圖7（c）所示，三角波的線性度較差引起的非線性失真，主要受運(yùn)放性能的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)（如C6=0.1mF）改善輸出波形。圖7 幾種正弦波失真3）性能指標(biāo)測量與誤差分析方波輸出電壓UP-P2VCC是因?yàn)檫\(yùn)放輸出級由NPN型與PN