函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、第四講第四講 函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)一一 、方波、方波 - 三角波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)三角波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器能自動(dòng)產(chǎn)生函數(shù)發(fā)生器能自動(dòng)產(chǎn)生 方波方波 - 三角波三角波-正弦波。正弦波。其電路組成框圖如圖其電路組成框圖如圖3.4.1 所示所示.比 較 器積 分 器差 分 放 大 器圖圖4.1 函數(shù)發(fā)生器組成框圖函數(shù)發(fā)生器組成框圖1、方波、方波 - 三角波產(chǎn)生電路三角波產(chǎn)生電路電路圖如圖電路圖如圖4.2所示：所示：viaR1VV+A1A2VEER2R3RP1VCCaC1R4RP2C2VCCVEER5vo2vo1比較器比較器積分器積分器C1稱為加速電容稱為加速電容 ，可加，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)

2、速比較器的翻轉(zhuǎn) R1稱為平衡電阻稱為平衡電阻 運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即V=0; 同相端接輸入電壓同相端接輸入電壓via； 比較器的輸出比較器的輸出vo1的高電平等于正電的高電平等于正電 源電壓源電壓+VCC，低電平等于負(fù)電源電壓低電平等于負(fù)電源電壓VEE ( +VCC = VEE ) 。 當(dāng)輸入端當(dāng)輸入端V+ =V- =0 時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，V01從從+Vcc跳到跳到-Vee，或從，或從-Vee跳到跳到Vcc。運(yùn)放運(yùn)放A1與與R1、 R2 、R3、 RP1組成電壓比較器。組成電壓比較器。viaR1VV+A1A2VEER2R3RP1VCCaC1R4RP2

3、C2VCCVEER5vo2vo1Via = 0若若Vo1 = -Vee, 則則比較器的上門限電位為比較器的上門限電位為 Via+ = -R2R3+RP1(-Vee) = R2R3+RP1(Vcc) 設(shè)設(shè) V01= +Vcc, 則則 R2 +R3 +RP1 (+Vcc)R2 + R3+RP1 R2+R3+RP1整理上式整理上式, 得比較器的下門限電位為得比較器的下門限電位為 -R2 R3+RP1(+Vcc) = R3+RP1 -R2(Vcc)Via = V+ =RP1指電位器的調(diào)整值指電位器的調(diào)整值(以下同以下同) 比較器的門限寬度比較器的門限寬度VH為為 VH = Via+Via = 2 R2

4、 R3+RP1Vcc由上面公式可得比較器的電壓由上面公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖傳輸特性，如圖4.3 所示。所示。vo1ViaVia+VCCVEEviao圖圖4.3 比較器電壓傳輸特性比較器電壓傳輸特性從電壓傳輸特性可見(jiàn)，當(dāng)輸從電壓傳輸特性可見(jiàn)，當(dāng)輸入電壓入電壓Via從上門限電位從上門限電位Via+下降到下門限電位下降到下門限電位Via時(shí)，時(shí)，輸出電壓輸出電壓Vo1由高電平由高電平+Vcc突變到低電平突變到低電平-Vee。 比較器的傳輸特性比較器的傳輸特性 Vo2 = - (+Vcc) (R4+RP2)C2 t = -Vcc(R4+RP2)C2 t當(dāng)當(dāng)Vo1= -Vee時(shí)，時(shí)， Vo2

5、= -(-Vee)(R4+RP2)C2 t = Vcc(R4+RP2)C2tviaR1VV+A1A2VEER2R3RP1VCCaC1R4RP2C2VCCVEER5vo2vo1a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)算放大器點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)算放大器A2與與 R4、RP2、 R5 、C2 組成反相積分器，組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波其輸入信號(hào)為方波Vo1時(shí)，則積分時(shí)，則積分器的輸出器的輸出 Vo2 = - 1(R4+RP2)C2當(dāng)當(dāng)Vo1=+Vcc時(shí)，時(shí)， Vo1dt VCCVCCR2R3+RP1VEER2R3+RP1o VEEtTT2T4vovo1vo2 a點(diǎn)閉合，形成閉環(huán)點(diǎn)閉合，形成閉環(huán) 電路電路 ，則自動(dòng)產(chǎn)生方，則自

6、動(dòng)產(chǎn)生方 波波-三角波，其波三角波，其波 形如圖形如圖4.4 所示。所示。 圖圖4.4 方波方波三角波三角波 方方 波波-三角波的工作過(guò)程：三角波的工作過(guò)程： 當(dāng)比較器的門限當(dāng)比較器的門限 電電 壓為壓為 Via+ 時(shí)時(shí)輸出輸出Vo1為高電平（為高電平（+Vcc)。這時(shí)積。這時(shí)積分器開(kāi)始反向積分，三角波分器開(kāi)始反向積分，三角波Vo2 線性下降。線性下降。 當(dāng)當(dāng)Vo2下降到比較器的下門限下降到比較器的下門限 電電 位位 Via 時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Vo1由高電平跳到低電平。這時(shí)由高電平跳到低電平。這時(shí)積分器又開(kāi)始正向積分，積分器又開(kāi)始正向積分，Vo2線線性增加。性增加。 如此

7、反復(fù)，就可自動(dòng)產(chǎn)生方如此反復(fù)，就可自動(dòng)產(chǎn)生方 波波-三角波。三角波。三角波的三角波的幅度幅度為：為：Vo2m = VCCVCCR2R3+RP1VEER2R3+RP1oVEEtTT2T4vovo1vo2方波的方波的幅度幅度 略小于略小于 +Vcc 和和-Vee。 方方 波波-三角波的幅度和頻率三角波的幅度和頻率 -1(R4+RP1)C2T40Vo1 dt = -1(R4+RP1)C2T 4實(shí)際上，三角波的幅度實(shí)際上，三角波的幅度 也就是比較器的也就是比較器的 門限電壓門限電壓Via+ Vo2m = Via+ = R2 R3+RP1 Vcc = -Vcc (R4+RP1)C2 T4 Vo2m =

8、Vcc方方 波波-三角波三角波 的波頻率為：的波頻率為： = R3+RP14R2 (R4+RP2) C2 R2R3+RP1 將上面兩式整理可得三角波將上面兩式整理可得三角波 的周期的周期 T ， 而而 F = 1 / T三角波三角波 的幅度為：的幅度為： 由此可見(jiàn)：由此可見(jiàn)：1、方波的幅度由、方波的幅度由+Vcc 和和 Vee決定；決定；2、調(diào)節(jié)電位器、調(diào)節(jié)電位器RP1，可調(diào)節(jié)三角波，可調(diào)節(jié)三角波 的幅度，但會(huì)影響其頻率；的幅度，但會(huì)影響其頻率；3、調(diào)節(jié)電位器、調(diào)節(jié)電位器RP2，可調(diào)節(jié)方，可調(diào)節(jié)方 波波-三角波三角波 的頻率，但不會(huì)影的頻率，但不會(huì)影 響響 其幅度，可用其幅度，可用 RP2實(shí)現(xiàn)

9、頻率微調(diào)，而用實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)，而用C2改變頻率改變頻率 范圍。范圍。二、二、單片集成電路函數(shù)發(fā)生器單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038ICL8038的工作頻率范圍在幾赫茲至幾百千赫茲之間，的工作頻率范圍在幾赫茲至幾百千赫茲之間，它可以同時(shí)輸出方波它可以同時(shí)輸出方波(或脈沖波或脈沖波)、三角波、正弦波。其、三角波、正弦波。其內(nèi)部組成如圖內(nèi)部組成如圖3.4.7所示。所示。 FM-BADJF1FM-INADJF27485S2IBIA33k8.2kA1A2比較器VCC23VCC13FFQQRSCt正弦波變換緩沖器緩沖器106312129SQADJS2SINADJS1TR1V +V GND11兩個(gè)比較器兩

10、個(gè)比較器A1、A2的基準(zhǔn)電的基準(zhǔn)電壓壓2VCC/3、VCC/3由內(nèi)部電阻由內(nèi)部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)提供。分壓網(wǎng)絡(luò)提供。 觸發(fā)器觸發(fā)器FF的輸出端的輸出端Q控制外控制外接定時(shí)電容的充、放電。接定時(shí)電容的充、放電。 充、放電流IA、IB的大小由外接電阻決定，當(dāng)IA= IB時(shí)，輸出三角波，否則為鋸齒波。I 產(chǎn)生三角波產(chǎn)生三角波方波的工作原理與圖方波的工作原理與圖4.2所示電路的工作原所示電路的工作原理基本相同。理基本相同。 ICL8038可以采用單電源可以采用單電源(+10V+30V)供電，也可以采用供電，也可以采用雙電源雙電源(5V15V)供電。供電。 由由ICL8038組成的音頻函數(shù)發(fā)生器如圖組成的音頻

11、函數(shù)發(fā)生器如圖4.8所示。電阻所示。電阻R1與電位器與電位器RP1用來(lái)確定用來(lái)確定腳的直流電位腳的直流電位V8，通常取，通常取V82/32/3VCC。V8越高，越高，IA、IB越小，輸出頻率越低，反之亦然。因此，越小，輸出頻率越低，反之亦然。因此，ICL8038又稱為又稱為壓控振蕩器壓控振蕩器(VCO)或頻率調(diào)制器（或頻率調(diào)制器（FM)。RP1可調(diào)節(jié)的頻率范圍可調(diào)節(jié)的頻率范圍為為20Hz20kHz。 C10.1FRP21kRARB4.7k4.7k546RL15k+5VVCC9328ADJF2ADJF1V +SQTR1SINV/GNDFM-INCtCt4700pF101112RP3100k20H

12、z20kHz5VRP110kR120k8038VEEADJS2圖圖4.8 ICL8038組成的音頻函數(shù)發(fā)生器組成的音頻函數(shù)發(fā)生器三、函數(shù)發(fā)生器的性能指標(biāo)三、函數(shù)發(fā)生器的性能指標(biāo) 輸出波形輸出波形 正弦波、方正弦波、方 波、三角波波、三角波 頻率范圍頻率范圍 1Hz10Hz , 10Hz100Hz , 1001KHz , 1KHz10KHz , 10KHz100KHz , 100KHz1MHz. 輸出電壓輸出電壓 一般指輸出波形的峰一般指輸出波形的峰-峰值，即峰值，即 Vp-p = 2Vm. 波形波形 特性特性 表征正弦波特性的參數(shù)是非線性失真表征正弦波特性的參數(shù)是非線性失真 ，一般要求，一般要

13、求 3%；表征三角波特性的參數(shù)是非線性系數(shù)；表征三角波特性的參數(shù)是非線性系數(shù) ， 一般要求一般要求 2%；表征方波特性的參數(shù)是；表征方波特性的參數(shù)是 上升時(shí)間上升時(shí)間 tr，一般要求，一般要求 tr100ns(1kHz，最大輸出時(shí)，最大輸出時(shí))。四、設(shè)計(jì)舉例四、設(shè)計(jì)舉例（1 1） 確定電路形式及元器件型號(hào)確定電路形式及元器件型號(hào) 例例 設(shè)計(jì)一方設(shè)計(jì)一方 波波-三角波三角波-正弦波正弦波 性能指示要求性能指示要求采用如圖采用如圖3.4.9所示電路，其中運(yùn)算放大器所示電路，其中運(yùn)算放大器A1與與A2用一只雙運(yùn)放用一只雙運(yùn)放 A747，差分放大器采用本章第三節(jié)設(shè)計(jì)完成的晶體管單端輸，差分放大器采用本

14、章第三節(jié)設(shè)計(jì)完成的晶體管單端輸入入 單端輸出差分放大器電路。因?yàn)榉讲ǖ姆冉咏娫磫味溯敵霾罘址糯笃麟娐?。因?yàn)榉讲ǖ姆冉咏娫措妷?，所以取電源電壓電壓，所以取電源電?VCC= +12V，VEE= 12V。 三角波三角波-方方 波波-正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路vo1+12V13124R320k12V47k10kR22R110k1RP2R45.1k100k76R510kA1A294C110FSC21F+12Vvo210C3470FRP347kC4470FRB16.8kT1RC110k+12VRC210kC6*0.1FC5470Fvo3RB2T26.8k100RP4RE21

15、00RE32kT3T4RE42kR8kBG31912VA74712A7471212VRP1A1A2*+圖圖4.9 三角波三角波方波方波正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路此處引腳標(biāo)號(hào)為此處引腳標(biāo)號(hào)為uA747芯芯片的，而實(shí)驗(yàn)中用片的，而實(shí)驗(yàn)中用741芯芯片，引腳號(hào)不同，插板片，引腳號(hào)不同，插板時(shí)一定要注意。時(shí)一定要注意。（2）計(jì)算元件參數(shù)比較器比較器A1與積分器與積分器A2的元件參數(shù)計(jì)算如下：的元件參數(shù)計(jì)算如下： 由式由式(4-8)得得 當(dāng)當(dāng)1Hzf10Hz時(shí)，取時(shí)，取C2=10 F，R4=5.1k ，RP2=100k ； 當(dāng)當(dāng) 10Hzf100Hz時(shí)，取時(shí)，取C2=1 F，以實(shí)現(xiàn)

16、頻率波段的轉(zhuǎn)，以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn) 換換 ；R4及及RP2的取值不變。取平衡電阻的取值不變。取平衡電阻R5=10k 。R VccR3+RP1=Vo2m =412 = 1 3取取 R2= 1 0 k ， 取， 取 R3= 2 0 k , R P1= 4 7 k , 平 衡 電 阻平 衡 電 阻 R1= R2/(R3+RP1) 10k 由輸出頻率的表達(dá)式由輸出頻率的表達(dá)式(3-4-9)得得R4 + RP2 =R3 + RP14 R2 C2 三角波三角波正弦波電路的參數(shù)選擇原則是：正弦波電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電隔直電容容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取

17、取C3= C4= C5=470 f，濾波電容，濾波電容C6的取值視輸出的取值視輸出的波形而定，若含高次諧波成分較多，則的波形而定，若含高次諧波成分較多，則C6一一般為幾十皮法至般為幾十皮法至0.1 F。RE2=100 與與RP4=100 相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大相并聯(lián)，以減小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(guò)觀測(cè)傳輸特性器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性 曲線、調(diào)曲線、調(diào)整整RP4及電阻及電阻R*來(lái)確定。來(lái)確定。 五、電路安裝與調(diào)試技術(shù)五、電路安裝與調(diào)試技術(shù) 1、方、方 波波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器由于比較器A1與積分器與積分器A2組成正反

18、饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與三角波，故這兩個(gè)單元電路需同時(shí)安裝。要注意的是，在安裝電三角波，故這兩個(gè)單元電路需同時(shí)安裝。要注意的是，在安裝電位器位器RP1與與RP2之前，先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則電路可能會(huì)不起之前，先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則電路可能會(huì)不起振。如果電路接線正確，則在接通電源后，振。如果電路接線正確，則在接通電源后，A1的輸出的輸出vo1為方波為方波，A2的輸出的輸出vo2為三角波，在低頻點(diǎn)時(shí)，微調(diào)為三角波，在低頻點(diǎn)時(shí)，微調(diào)RP1，使三角波的輸，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，再調(diào)節(jié)出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，再調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。，則輸出頻率連續(xù)可變。3、誤差分析、誤差分析 方波輸出電壓方波輸出電壓Vp-p2VCC，是因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)由，是因?yàn)檫\(yùn)放輸出級(jí)由