函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作

1、 本科生課程設(shè)計(jì)（論文）第一章 緒論函數(shù)信號(hào)發(fā)生器本來(lái)是一種超低頻儀器，不打?yàn)樗⒁猓鼛啄陙?lái)，情況發(fā)生了極大的變化?，F(xiàn)在函數(shù)發(fā)生器，不僅可以產(chǎn)生各種各樣的數(shù)學(xué)波形，而且還具有某些專用儀器的能力，如頻率合成、掃描、調(diào)制（調(diào)幅、調(diào)頻與調(diào)相）。以上這些功能在臺(tái)式函數(shù)發(fā)生器與調(diào)控函數(shù)發(fā)生器與程控函數(shù)發(fā)生器之間權(quán)衡選用，前者常被稱作“便攜式”，后者通常用于自動(dòng)測(cè)試的設(shè)備中。由于函數(shù)發(fā)生器性能價(jià)格比較很好，應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。據(jù)報(bào)道，函數(shù)發(fā)生器在國(guó)外已成為設(shè)計(jì)人員在工作臺(tái)上不可缺少的信號(hào)源。所有先進(jìn)的函數(shù)發(fā)生器都具有這樣或那樣的靈活性，由外部電壓選擇發(fā)生器的頻率是它的共同點(diǎn)；另一特點(diǎn)是，滯留偏置可調(diào)，可

2、按具體實(shí)驗(yàn)要求調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的直流電平。波形空度比可調(diào)。因而波形形狀可變。許多函數(shù)發(fā)生器具有可調(diào)的起/止相位鑒別器，相位鎖定，以及具有觸發(fā)輸入或門(mén)控輸出的選擇，有的發(fā)生器還可以借操作人員把偽隨機(jī)噪聲加到波形上，以使用于噪聲環(huán)境，也可以把所有產(chǎn)生的信號(hào)相位鎖定于外接源的相位上。第二章 總體電路方案設(shè)計(jì)與選擇2.1設(shè)計(jì)要求1. 輸出的各種波形工作頻率范圍0.02Hz1kHz連續(xù)可調(diào)。2. 正弦波幅值±10V，失真度小于1.5。3. 方波幅值±10V。4. 三角波峰峰值20V；各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)。2.2設(shè)計(jì)的基本方案方案一：由RC橋式電路振蕩產(chǎn)生正弦波，再經(jīng)整形積分產(chǎn)生方波

3、和三角波。由運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖2-2所示： 圖2-2函數(shù)發(fā)生器原理圖1采用振蕩電路獲得正弦波,再由比較器獲得方波,最后通過(guò)積分電路獲得三角波。方案二：用ICL8038集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器所需信號(hào)。接入外部電路后ICL8038的9、3、2引腳就可分別產(chǎn)生方波、三角波、 正弦波，頻率調(diào)節(jié)部分通過(guò)其它的引腳接外電路來(lái)完成 .然后從ICL8038出來(lái)經(jīng)過(guò)選擇開(kāi)關(guān)選擇所需波形進(jìn)入LM31D8進(jìn)行放大和幅度調(diào)節(jié)，最后從LM31D8出來(lái)的波即為頻率和幅度可調(diào)的方波，三角波和正弦波 。 采用集成片ICL8038做函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，這是一種集成度很高的芯片，只要外加上電源，就能得到很完美的波形。方案三：采用D

4、DS作為信號(hào)發(fā)生核心器件的全數(shù)控函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案，根據(jù)輸出信號(hào)波形類型可設(shè)置、輸出信號(hào)幅度和頻率可數(shù)控、輸出頻率寬等要求，選用了AD9850芯片，并通過(guò)單片機(jī)程序控制和處理AD9850的32位頻率控制字，再經(jīng)放大后加至以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)了信號(hào)幅度、頻率、類型以及輸出等選項(xiàng)的全數(shù)字控制。方案四：利用比較器產(chǎn)生方波，后用積分器產(chǎn)生三角波，經(jīng)過(guò)擦、差分放大器產(chǎn)生正弦波。采用比較器和積分器分別獲得方波和三角波,再用晶體三極管組成的差分放大電路做三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換，如圖2-2： 圖2-2數(shù)發(fā)生器原理圖3可行性分析：在以上四種方案，方案一：用RC橋式電路及整形積分電路構(gòu)成的

5、函數(shù)發(fā)生器所產(chǎn)生的信號(hào)難控制，不易調(diào)試，可調(diào)范圍??；方案二中，應(yīng)用芯片，由運(yùn)放，電位器等組成的多功能函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，精確度高，但過(guò)于復(fù)雜；方案三，知識(shí)所限，復(fù)雜；方案四，產(chǎn)生信號(hào)相對(duì)簡(jiǎn)單。所以選擇第四種方案。 比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(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曲線的非線性2.3選擇的最終設(shè)計(jì)方案：第四種方案。第三章 函數(shù)發(fā)生器總體設(shè)計(jì)3.1原

6、理框圖圖3-1 原理框圖3.2組成部分1.電源2.比較器3.積分器4差分放大器3.3原理振蕩電路主要產(chǎn)生具有一定頻率要求的信號(hào)。它決定了函數(shù)發(fā)生器的輸出信號(hào)的頻率調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)方式和頻率的穩(wěn)定度；在要求不高的場(chǎng)合，電路往往以需要產(chǎn)生的波形中的一種信號(hào)作為振蕩信號(hào)。常用的振蕩器有脈沖振蕩器和正弦波振蕩器。該部分主要考慮信號(hào)頻率調(diào)節(jié)范圍和頻率的穩(wěn)定度。波形變換器功能是對(duì)振蕩源產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行變換和處理，形成各種所需的信號(hào)波形。重點(diǎn)考慮波形的失真問(wèn)題，通過(guò)采取各種措施盡可能使波形失真減少。輸出電路是對(duì)各路波形信號(hào)進(jìn)行幅度均衡和切換，并完成信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)、功能；重點(diǎn)考慮輸出端的特性，如輸出波形的最大幅值

7、、輸出功率和輸出阻抗等。第四章 函數(shù)發(fā)生器的單元電路設(shè)計(jì)4.1電源的設(shè)計(jì)如圖4-1是由LM117和LM137組成的正、負(fù)輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓器。電路中的VREF=V31(或V21)=1.2V,R1=R1=(120240)，為保證空載情況下輸出電壓穩(wěn)定。該電路輸出電壓調(diào)節(jié)范圍確定。該電路輸入電壓V1分別為±25V，則輸出電壓可調(diào)范圍為±(1.220)V圖4-1電源工作原理圖4.2方波-三角波轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up

8、=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。方波-三角波轉(zhuǎn)換工作原理如圖4-2所示圖4-2波-三角波轉(zhuǎn)換工作原理圖方波-三角波轉(zhuǎn)換工作原理分析圖如圖4-3

9、，4-4所示圖4-3-三角波轉(zhuǎn)換工作原理分析圖1圖4-4波-三角波轉(zhuǎn)換工作原理分析圖2此電路的工作原理： 若a點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)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)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設(shè)Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門(mén)限單位Uia-為 若Uo1=

10、-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門(mén)限電位Uia+為 比較器的門(mén)限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性。a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)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，則積分器的輸出Uo2為時(shí)，時(shí)，可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波。a點(diǎn)閉合，既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-三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為結(jié)論：1.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。若要求通頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2.方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源

11、電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。4.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換的電路設(shè)計(jì)三角波-正弦波轉(zhuǎn)換工作原理如圖4-5所示圖4-5三角波-正弦波轉(zhuǎn)換工作原理圖三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)完成差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，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曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：式中差分放大器的恒定電流；溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，UT26mV。如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為式中Um三角波的幅度； T三角波的周期

12、。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見(jiàn)：傳輸特性曲線越對(duì)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)；圖為實(shí)現(xiàn)三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對(duì)稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小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，以濾除諧波分量，改善輸出波形。三角波-正弦波轉(zhuǎn)換工作原理分析圖如圖4-6所示圖4-6三角波-正弦波轉(zhuǎn)換工作原理分析圖第五章 整體電路設(shè)計(jì)5.1總電路圖設(shè)計(jì)總電路圖設(shè)計(jì)如圖5-1所示 圖5-1方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生電路總的設(shè)計(jì)思路是首先通過(guò)比較器產(chǎn)生方波，然后經(jīng)過(guò)積分電路產(chǎn)生三角波，最后通過(guò)差分

13、放大器產(chǎn)生正弦波。5.2元件參數(shù)的計(jì)算比較器和積分器的元件參數(shù)計(jì)算如下：由理論分析知道比較器的輸出電壓即約等于電源電壓,為了輸出峰峰值為16v的方波電壓,因此選擇電源電壓為8v和-8v.要求輸出的三角波峰峰值為4v,即是要求 R2/(R3+RP1)=2/8=1/4,則可以取R2=10K,R3=20K,RP1=47K.平衡電阻R1=R2/(R3+RP1)約等于10k。由頻率輸出的表達(dá)式 R4+RP2=R3+RP1/(4R2C2f) 知道：當(dāng)1Hz<f<10Hz時(shí),取電容C1=10uf,R4=5.1K,RP2=100k。當(dāng)10Hz<f<100Hz時(shí),取電容C2=1uf,來(lái)實(shí)

14、現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換,R4和RP2的值不變.取平衡電阻R5=10K。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要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。第六章 課設(shè)總結(jié)本設(shè)計(jì)應(yīng)用比較器、積分器、參分放大器。實(shí)現(xiàn)了具有正弦波幅值±10V，失真度小于1.5。方波幅值±10V。三角波峰峰值20V；各種輸出波形幅值均連續(xù)可調(diào)功能的函數(shù)發(fā)生器。由比

15、較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(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曲線的非線性。通過(guò)此次設(shè)計(jì)，知道了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理，也大致知道了各個(gè)信號(hào)的發(fā)出原理和各個(gè)波形的特性。第七章 參考文獻(xiàn)1 劉丹.例說(shuō)8051.北京：人民郵電出版社2 曾興雯 陳健 劉乃安.高頻電子線路輔導(dǎo).西安：西安電子科大出版社3 林濤數(shù)字電子技術(shù)清華大學(xué)出版社2006年6月（ISBN 978-7-302-12064-3）4 李群芳.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)(第二版).北京：電子工業(yè)出版社5 黃志偉·全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽·北京航天航空大學(xué)出版社·2007年2月（ISBN978-7-81077-983-8）6 蔣立培.單片危機(jī)系統(tǒng)使用教程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社7 謝自美.電子線路設(shè)計(jì)·實(shí)驗(yàn)·測(cè)試（第三版）.湖北：華中科技大學(xué)出版社8 楊翠娥.高頻電子線路實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)