目錄TOC\o"1-2"\h\z\u1.函數發生器的幾種設計方法2.1基于555的函數發生器設計2.2基于ICL8038函數發生器設計2.3基于單片機的函數發生器設計2.函數發生器的設計框圖3.函數發生器工作原理4.1函數發生器原理圖4.2方波—三角波產生電路4.3三角波—正弦波轉換電路的工作原理4.電路的參數選擇及計算5.1方波-三角波中電容C1變化5.2三角波—正弦波局部5.3函數發生器的電路圖5.電路仿真6.1方波--三角波發生電路的仿真及實物波形6.電路的安裝與調試7.1方波—三角波發生器的裝調7.2三角波—正弦波變換電路的裝調7.實驗心得1函數發生器的幾種設計方法1.1基于555的函數發生器設計通過555定時器進行函數發生器的設計，電路簡單，本錢低廉。555定時器是集模擬電路和數字電路為一體的中規模集成電路，只要適當配接少量的外圍元件，可以方便的構成脈沖產生電路、脈沖變換電路及其它具有定時功能的電路。設計思路為：由555定時器構成的多諧自激震蕩器得到方波；方波通過一階RC積分電路得到三角波；三角波再通過二階RC積分電路得到正弦波。圖圖1-1-1555定時器構成的函數發生器圖圖1-1-2電路仿真波形圖由555定時器構成的函數發生器，電路簡單，本錢低廉，如稍許增加正弦波放大電路及幅度調節電路，即可構成簡單實用的信號源。1.2基于ICL8038函數發生器設計ICL8038的工作頻率范圍在幾赫茲至幾百千赫茲之間，它可以同時輸出方波〔或脈沖波〕、三角波、正弦波。其內部組成如下圖。輸出波形頻率可變且精確度高，當輸出波形頻率小于10KHz時，誤差僅為0.8%。圖圖1-2-1ICL8038其中，振蕩電容C由外部接入，它是由內部兩個恒流源來完成充電放電過程。恒流源2的工作狀態是由恒流源1對電容器C連續充電，增加電容電壓，從而改變比擬器的輸入電平，比擬器的狀態改變，帶動觸發器翻轉來連續控制的。當觸發器的狀態使恒流源2處于關閉狀態，電容電壓到達比擬器1輸入電壓規定值的2／3倍時，比擬器1狀態改變，使觸發器工作狀態發生翻轉，將模擬開關K由B點接到A點。由于恒流源2的工作電流值為2I，是恒流源1的2倍，電容器處于放電狀態，在單位時間內電容器端電壓將線性下降，當電容電壓下降到比擬器2的輸入電壓規定值的1／3倍時，比擬器2狀態改變，使觸發器又翻轉回到原來的狀態，這樣周期性的循環，完成振蕩過程。在以上根本電路中很容易獲得3種函數信號，假設電容器在充電過程和在放電過程的時間常數相等，而且在電容器充放電時，電容電壓就是三角波函數，三角波信號由此獲得。由于觸發器的工作狀態變化時間也是由電容電壓的充放電過程決定的，所以，觸發器的狀態翻轉，就能產生方波函數信號，在芯片內部，這兩種函數信號經緩沖器功率放大，并從管腳3和管腳9輸出。圖圖1-2-2ICL8038圖1-2-2為ICL8038的管腳圖，下面介紹各引腳功能。腳1、12〔SineWaveAdjust〕：正弦波失真度調節；腳2〔SineWaveOut〕：正弦波輸出；腳3〔TriangleOut〕：三角波輸出；腳4、5〔DutyCycleFrequency〕：方波的占空比調節、正弦波和三角波的對稱調節；腳6〔V＋〕：正電源±10V～±18V；腳7〔FMBias〕：內部頻率調節偏置電壓輸；腳8(FMSweep)：外部掃描頻率電壓輸入；腳9〔SquareWaveOut〕：方波輸出，為開路結構；腳10〔TimingCapacitor〕：外接振蕩電容；腳11〔V－orGND〕：負電原或地；腳13、14〔NC〕：空腳。圖圖2-2-3ICL8038組成的音頻函數發生器圖圖1-2-4ICL8038通過調節RV2的位置，即可調節函數發生器的輸出震蕩頻率的大小圖圖1-2-51.3基于單片機的函數發生器設計可以以AT89C52單片機為核心，選用DAC0832為模數轉換芯片，并輔以必要的模擬電路，設計基于AT89C52單片機的函數發生器。該方案的主要思路是采用編程的方法來產生希望得到的波形，用戶將要輸出的波形預先儲存在半導體存儲器中，在需要某種波形時將存儲在存儲器中的數據依次讀出來，經過數模轉換、濾波等處理后，輸出該波形信號。該方案優點是輸出信號的頻率穩定抗干擾能力強，實現任意波形的信號容易，可通過外置按鍵或鍵盤來設定所需要產生信號源的類型和頻率，還可以通過顯示器顯示波形的相關信息。缺乏之處是由于單片機的處理數據速度有限，當產生頻率比擬高的信號時，輸出波形的質量將下降。2函數發生器的設計框圖函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方涉及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成電路(如單片函數發生器模塊AT89C52)。為進一步掌握電路的根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圖1-1所示：圖2圖2-1-1由比擬器和積分器組成方波—三角波產生電路，比擬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。3函數發生器工作原理3.1函數發生器原理圖圖圖3-1三角波—方波—正弦波函數發生器實驗電路3.2方波—三角波產生電路20圖4-2-1所示電路能自動產生方波—三角波。其電路的工作原理如下：圖圖3-2-1方波—假設放大器A1同相輸入端a點斷開，運算發大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比擬器。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比擬器的輸出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|〕,當比擬器的U+=U-=0時，比擬器翻轉，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,那么〔3-2-1〕式中RP1指電位器的調整值〔以下同〕。將上式整理，得比擬器翻轉的下門限電位Uia-為〔3-2-2〕假設Uo1=-Vee,那么比擬器翻轉的上門限電位Uia+為〔3-2-3〕比擬器的門限寬度〔3-2-4〕由式〔4-2-1〕～〔4-2-4〕可得比擬器的電壓傳輸特性，如圖4-2-2所示。圖圖3-2-2圖圖3-2-3方波—當比擬器的門限電壓為Via+時輸出Vo1為高電平〔+Vcc)。這時積分器開始反向積分，三角波Vo2線性下降。當Vo2下降到比擬器的下門限電位Via－時，比擬器翻轉，輸出Vo1由高電平跳到低電平。這時積分器又開始正向積分，Vo2線性增加。如此反復，就可自動產生方波-三角波。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，那么積分器的輸出〔3-2-5〕當時，〔3-2-6〕當時，〔3-2-7〕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，其波形如下圖4-a點閉合，即比擬器與積分器首尾相連，形成閉環電路，那么自動產生方波—三角波。三角波的幅度〔3-2-8〕方波-三角波的頻率為〔3-2-9〕由式〔3-2-8〕以及〔3-2-9〔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。假設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。3.3三角波—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。分析說明，傳輸特性曲線的表達式為：〔3-3-1〕式中，—差分放大器的恒定電流；，—溫度的電壓當量，當室溫為25攝氏度時，UT≈26mV。如果Uid為三角波，設表達式為〔3-3-2〕式中Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。將式〔3-3-2〕代入式〔3-3-1〔3-3-3〕用計算機對式〔3-3-3〕進行計算，打印輸出的ic1(t)或ic2(t)曲線近似于正弦波，那么差分放大器的輸出電壓vc1(t)、vc2(t)亦近似于正弦波，波形變換過程如圖3-3-1圖3圖3-3-1三角波—為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見要求：傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好。三角波的幅度Um應正好使晶體管截止電壓。圖3-3-2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圖圖3-3-2三角波—正弦波變換4.電路的參數選擇及計算4.1方波-三角波中電容C1變化實物連線中，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。4.2三角波—正弦波局部比擬器A1與積分器A2的元件計算如下。由式〔4-2-8〕得〔4-2-1〕取，取，為的電位器。取平衡電阻由式〔4-2-9〕得〔4-2-2〕當時，取，那么，取，為電位器。當時，取；當時，取以實現頻率波段的轉換，及的取值不變。取平衡電阻。三角波—正弦波變換電路的參數選擇原那么是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，假設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。歐與歐姆相并聯，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，調整及電阻確定。4.3函數發生器的電路圖函數發生器整體電路圖如下圖4-3-1。圖4-3-1圖4-3-1三角波—方波—正弦波函數發生器實驗電路電路先通過比擬器產生方波，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。5.電路仿真5.1方波--三角波發生電路的仿真及實物波形畫出電路圖，并完成仿真，如圖5-1-1、5-1-2、5-1-3分別為方波、三角波、正弦波的輸出波形。圖圖5-1-1輸出方波圖圖5-1-2輸出三角波圖圖5-1-3輸出正弦波以下是實物波形圖：圖圖5-1-4函數發生器輸出正弦波圖圖5-1-5函數發生器輸出三角波圖圖5-1-6函數發生器輸出正弦波6電路的安裝與調試方波—三角波—正弦波函數發生器電路是由三級單元電路組成的,在裝調多級電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調與級聯。6.1方波—三角波發生器的裝調由于比擬器A1與積分器A2組成正反應閉環電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10KΩ,RP2取〔2.5-70〕KΩ內的任一值,否那么電路可能會不起振。只要電路接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調節RP2，那么輸出頻率在對應波段內連續可變。6.2三角波—正弦波變換電路的裝調按照圖3-3-1所示電路，裝調三角波—正弦波變換電路，其中差分發大電路可利用課題三設計完成的電路。電路的調試步驟如下。差分放大器傳輸特性曲線調試。將C4與RP3的連線斷開，經電容C4輸入的差摸信號電壓Uid=50v，fi=100Hz正弦波。調節RP4及電阻R*,是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大Uid。直到傳輸特性曲線形狀入圖4-1-3所示波形，記下次時對應的Uid即Uidm值。移去信號源，再將C5左段接地，測量差份放大器的靜態工作點I0、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。三角波—正弦波變換電路調試。將RP3與C5連接，調節RP3使三角波俄輸出幅度〔經RP3〕等于Uidm值，這時Uo3的輸出波形應接近正弦波，調節C*7大小可改善輸出波形。如果Uo3的波形出現以下幾種正弦波失真，那么應調節和改善參數，產生失真的原因及采取的措施如下。鐘形失真：傳輸特性曲線的線性區太寬，應減小Re2。半波圓定或平頂失真：傳輸特性曲線對稱性差，靜態工作點Q偏上或偏下，應調整電阻R*。非線性失真：三角波傳輸特性區線性度差引起的失真，主要是受到運放的影響。可在輸出端加濾波網絡改善輸出圖8-1-1圖8-1-1實物圖正面圖8-1-2實物圖反面圖7-1-3方波調試過程圖8-1-5圖7-1-3方波調試過程圖8-1-5三角波調試過程圖8-1-5正弦波調試過程課程設計是繼專業理論學習和實驗教學之后又一重要的實踐性教學環節。它的任務是在學生掌握和具備電子技術知識與單元電路的設計能力之后，綜合所學知識進一步學習電子電路系統的設計方法和實驗方法，為今后從事電子技術領域的工程設計打好根底根本要求。圖7-1-4圖7-1-4正弦波調試過程在制作實驗報告時，發現只有細心耐心恒心一定要有才能做好事情，首先是線的布局上既要美觀又要實用和走線簡單，兼顧到方方面面去考慮是很需要的，否那么只是一紙空話。其中遇到的問題，方波的占空比不是50%，仿真出錯的結果，好久都沒有找到原因，后來學長說這個運放在仿真中不是理想的，所以導致兩端輸出的電壓不同，引起的占空比不為50%。后來選用了個質量好些的運放，解決了這個問題。經過一個星期的實習，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我們也失落過，也曾一度熱情高漲。從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復雜心情，點點滴滴無不令我回味無長；生活就是這樣，汗水預示著結果也見證著收獲。勞動是人類生存生活永恒不變的話題。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，