1、函 數 發 生 器一、設計的目的、任務和要求1設計目的1掌握電子系統的一般設計方法2掌握模擬IC器件的應用3培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力4掌握常用元器件的識別和測試5熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法2設計任務設計方波三角波正弦波函數信號發生器3課程設計的要求及技術指標a) 設計、組裝、調試函數發生器b) 輸出波形：正弦波、方波、三角波；c) 頻率范圍 ：在1010000Hz范圍內可調 ；d) 4輸出電壓：方波U24V，三角波U8V，正弦波U>1V；二、設計方法函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種

2、波形的函數發生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數發生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數發生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題采用由集成運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發生器的設計方法。產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產生三角波方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題采用先產生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法， 本課題中函數發生器電路組成框圖如下所示：由比較器和積分器組成方

3、波三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，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。三、設計電路及參數選擇1 方波發生電路的工作原理此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n

4、隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變為-Uz,與此同時Up從+Ut躍變為-Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變為+Uz，Up從-Ut躍變為+Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。2 方波-三角波轉換電路的工作原理方波三角波產生電路工作原理如下：若a點斷開，運算發大器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。運放的反相端接基

5、準電壓，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，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，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Uo1=+Vcc,則 U+=R3+RPR21(+VCC)+Uia=0 R2+R3+RPR2+R3+RP11將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia-為Uia-=-R2-R2(+VCC)=VCC R3+RPR3+RP11若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為Uia+=-R2R2(-VEE)

6、=VCC R3+RPR+RP131比較器的門限寬度UH=Uia+-Uia-=2R2ICC R3+RP1由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為UO2=-1UO1dt ò(R4+RP2)C2UO1=+VCC時，UO2=-(+VCC)-VCCt=t (R4+RP2)C2(R4+RP2)C2VCC-(-VEE)t=t (R4+RP2)C2(R4+RP2)C2UO1=-VEE時，UO2=可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示

7、。a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為UO2m=方波-三角波的頻率f為f=R2VCC R3+RP1R3+RP1 4R2(R4+RP2)C2由以上兩式可以得到以下結論：1. 電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現頻率微調。2. 方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。電位器RP1可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。3 三角波-正弦波轉換電路的工作原理三角波正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。差分放大器具

8、有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，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式為：IC2=aIE2=aI0 1+eUid/UTaI0 -Uid/UT1+e IC1=aIE1=式中 a=IC/IE»1I0差分放大器的恒定電流；UT溫度的電壓當量，當室溫為25oc時，UT26mV。如果Uid為三角波，設表達式為ì4UmæTöïTçt-4÷ïèøUid=í

9、ï-4Umæt-3TçïT4èîTöæ0£t£ç÷2èø öæTö÷£t£Tç÷øè2ø式中 Um三角波的幅度；T三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；（2） 三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。（3） 圖為實現三角波正弦波變換的電路。其中Rp1調節三角波的幅度，Rp2調整電路的

10、對稱性，其并聯電阻RE2用來減小差分放大器的線性區。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。VCC-12V三角波正弦波變換電路4電路的參數選擇及計算1.方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現。比較器A1與積分器A2的元件計算如下。由式（3-61）得UO2m=R2VCC R3+RP1即UR241=O2m= R3+RPVCC1231取 R2=10KW，則R3+RP1=30

11、KW，取R3=20KW ，RP1為47K的電位器。區平衡電阻R1=R2/(R3+RP1)»10KW由式（3-62）f=即R4+RP1=R3+RP1 4R2(R4+RP2)C2R3+RP1 4R2+C2當1HZ£f£10HZ時，取C2=10mF，則R4+RP2=(757.5)kW，取R4=5.1kW，為100K電位器。當10HZ£f£100HZ時 ，取C2=1mF以實現頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻R5=10kW。三角波>正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取C3=C4=

12、C5=470mF，濾波電容C6視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，RE2=100C6可取得較小，C6一般為幾十皮法至0.1微法。歐與RP4=100歐姆相并聯，以減小差分放大器的線性區。差分放大器的幾靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻R*確定。5 總電路圖-12V三角波-方波-正弦波函數發生器實驗電路先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最后通過差分放大器形成正弦波。五、誤差分析1系統誤差（1） 實驗室儀器有損壞，使得某些可調電阻失效，導致幅值出現誤差。（2） 萬用表測電阻時調零按鈕難以掌握，使所測數據不精確。2 隨機誤差（1）讀數誤差;實驗過程中讀數不夠精確，即使是

13、用數字萬用表，有些數據顯示不夠穩定，無法讀出確切值。（2）理論上頻率值約為700HZ，實測625HZ，一方面由于計算時采用四舍五入等多種近似計算，多次的近似計算會帶來誤差。測量時，電阻阻值會隨著溫度的變化而變化，用萬用表和示波器測數據也有誤差。改進電路的方法有;在讀數時盡量讀準確，不可過長時間使電路處于工作狀態以減少因溫度而影響電阻值的可能性，盡量選擇合適參數的器件（例如在滿足條件下選擇能夠整除的參數以減少算數時的近似計算帶來的誤差）。六、心得體會為期兩天的課程設計已經結束，在這兩天的學習、設計過程中我感觸頗深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計，我掌握了常用元件的識別和測試；熟

14、悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接方法；以及如何提高電路的性能等等。其次，這次課程設計提高了我的團隊合作水平，使我們配合更加默契，體會了在接好電路后測試出波形的那種喜悅。在實驗過程中，我們遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。在老師和同學的幫助下，把問題一一解決，那種心情別提有多高興啊。實驗中暴露出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀態，老師們不厭其煩地為我們調整波形，講解知識點，實在令我感動。通過對函數信號發生器的設計，我深刻認識到了“理論聯系實際”的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重