1、1.引言1.1 函数信号发生器的应用意义函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件也可以是集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用有集成运算放大器与晶体差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。具体方法是由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将
2、频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。通过此次设计，我们能将理论知识很好的应用于实践，不仅巩固了书本上的理论知识，而且锻炼了我们独立查阅资料、设计电路、独立思考的能力1.2 设计目的（1） 能够根据功能要求查找相关的元器件的说明书。（2） 能够对元器件的说明书进行学习并掌握元器件的控制方法和时序要求。（3） 能够利用 Multisim、protel 仿真软件对电路进行仿真调试。（4） 能够按着规范的课程设计的格式完成课程设计报告。1.3 设计内容和要求设计一个函数发生器，能产生方波、三角波、正弦波信号。用 LED 显示其频率和波形参数，播报其频率和波
3、形参数。信号频率可通过键盘输入并显示。基本要求：1、输出频率范围：100HZ1KHZ 和 1KHZ10000HZ 两档2、输出电压幅值可设，方波：VP-P=12V3、三角波：VP-P=1V4、正弦波：VP-P1V整个控制电路在 Multisim、Protel 仿真软件中连接调示。2.函数发生器的总方案及原理框图2.1 原理框图2.2 函数发生器的总方案函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器 S101 全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发
4、生器模块 8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳
5、定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。3.各组成部分的工作原理3.1 方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成。RC 回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过 RC 充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压 Uo=+Uz,则同相输入端电位 Up=+UT。Uo 通过 R3 对电容 C 正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位 n 随时间 t 的增长而逐渐增高，当 t 趋于无穷时， Un 趋于+Uz；但是，一旦 Un=+
6、Ut,再稍增大，Uo 从+Uz 跃变为-Uz, 与此同时 Up 从+Ut 跃变为 -Ut。随后，Uo 又通过 R3 对电容C 反向充电，如图中虚线箭头所示。Un 随时间逐渐增长而减低，当 t 趋于无穷大时，Un趋于-Uz ；但是，一旦 Un=-Ut,再减小，Uo 就从-Uz 跃变为+Uz，Up 从-Ut 跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。3.2 方波-三角波转换电路的工作原理若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即 U-=0，同相输入端接输入电压Ui
7、a，R1 称为平衡电阻。比较器的输出 Uo1 的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的 U+=U-=0 时，比较器翻转，输出 Uo1 从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平 Vee 跳到高电平 Vcc。设 Uo1=+Vcc,则 312312()0CiaRPRUVUP 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位 Uia-为223131()CCiaRRUVPP 若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为223131()ECiaRR比较器的门限宽度 231HCiaiUIP由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图 3-71 所
8、示。a 点断开后，运放 A2 与 R4、RP2、C2 及 R5 组成反相积分器，其输入信号为方波 Uo1，则积分器的输出 Uo2 为 2142()OOUUdtRPC时，1OCUV24242()()VttR时，1E24242()()CEOttRPP可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。a 点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为 2231OmCRUVP方波-三角波的频率 f 为31242()fR由以上两式可以得到以下结论：1. 电位器 RP2 在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若
9、要求输出频率的范围较宽，可用 C2 改变频率的范围， PR2 实现频率微调。2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc 。电位器 RP1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。3.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为： 022/1idTCEUaIIe01/idTCEUaIIe式中 /CEaI差分放大器的恒定电流；0温度的电
10、压当量，当室温为 25oc 时，UT26mV。TU如果 Uid 为三角波，设表达式为43midtT02Ttt式中 Um三角波的幅度；T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，由图可见：（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2） 三角波的幅度 Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。（3） 图为实现三角波正弦波变换的电路。其中 Rp1 调节三角波的幅度，Rp2 调整电路的对称性，其并联电阻 RE2 用来减小差分放大器的线性区。电容 C1,C2,C3 为隔直电容，C4 为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。3.4 电路的参数选择及计算3.41.方波-三角波中电容 C1 变化（关键性变化
11、之一）实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C2 从 10uf（理论时可出来波形）换成 0.1uf 时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当 C2=10uf 时，频率很低，不容易在实际电路中实现。3.42.三角波-正弦波部分比较器 A1 与积分器 A2 的元件计算如下。由式（3-61）得 2231OmCRUVP即 22314CRPV取 ，则 ，取 ，RP1 为 47K 的点位器。区平20K310RK320R衡电阻 1/()R由式（3-62） 31242()PfC即 31412RP当 时 ，取 以实现频率波段的转换，R4 及 RP2 的取值不00ZHf21F变。取平衡电阻 。51k三
12、角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容 C3、C4、C5 要取得较大，因为输出频率很低，取 ，滤波电容 视输出的波形而定，若含高次斜34570C6C波成分较多， 可取得较小， 一般为几十皮法至 0.1 微法。RE2=100 欧与 RP4=100 欧姆66相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整 RP4及电阻 R*确定。3.5 总电路图50%R10C3R112354U1R2 R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17C412VVCCR5 R6R7R8R9 R11-12VVCC1R1250%R13C5C2R144.函数信号发生器各单
13、元电路的设计4.1 方波产生电路图及元件参数的确定4.1.1 方波产生电路 图 4-1 方波发生电路4.1.2 元件参数的确定图 3 中 U2 构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。可变电容C1 具有调频作用，可用于调节方波的频率。使产生的频率范围在 10100Hz。方波振荡周期 T = 2 R1 C1 ln(1+2R4/R3)。 R1=7K，R3=7K ，R4=7K。振荡频率 f = 1/T。可见，f 与 C1 成反比，调整电容 C1 的值可以改变电路的振荡频率。图中稳压管 D1 D2 为调整方波幅值，UP-P = D1 +D2。4.2 方波三角波转换电路图及元件参数确定4.2.1
14、方波三角波转换电路图 4-2 方波-三角波电路图4.2.2 方波三角波的参数确定图 4 中 U2 构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。可变电容C1 具有调频作用，可用于调节方波的频率。运算放大器 U1 与电阻 R5 及电容C2 构成积分电路，用于将 U2 电路输出的方波作为输入，产生输出三角波。图中 R6 在调整方波三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求三角波的幅值，可以调节可变电容 C2。三角波部分参数设定如下：对于输出三角波 其振荡周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3 ，f = 1/T。 而要调整输出三角波的振幅，则需要调整可变电容 C2 的值。以使三角波
15、 UP-P = 1V。4.3 正弦波参数电路及元件参数确定4.3.1 正弦波参数电路 图 4-3 三角波-正弦波电路图4.3.2 正弦波的参数确定.改变输入频率，是电路中的频率一定时三角波频率为固定或变化范围很小。加入低通滤波器，而将三角波转化为正弦波。在图 5 中当改变输入频率后，三角波与正弦波的幅度将发生相应改变。由于振荡周期 T = (4 R5 R6 C2) / R3，C2 为调节三角波的幅度使 UP-P = 5V，R10 调节输出正弦波得幅值 UP-P = 3V。三角波正弦波的变换主要用差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，可
16、以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性的非线性。4.4 方波-三角波- 正弦波函数发生器整体电路图根据以上设计，画出方波-三角波-正弦波函数发生器电路图如图 6 所示。图 4-4 方波-三角- 正弦波函数发生器电路图5.电路的仿真调试5.1 利用 Multisim 软件画出电路图，模拟电路结果，观察各波形的输出。5.1.1 方波、三角波产生电路的仿真波形图 5-1 方波电路仿真图 5-2 三角波电路仿真5.12 方波三角波转换电路的仿真5-3 方波 三角波仿真图形5.1.3 三角波正弦波转换电路仿真图 5-4 三角波正弦波仿真图形5.1.4 方波三角波正弦波转换电路仿真图 5-5 方波三角波正弦波仿真图形6.结果分析输出电压方波信号接入示波器仿真，调节 C1，得方波峰峰 Vpp=12V；撤除方波信号并接入三角波信号，调节 C2，测得三角波峰峰值 Upp=1V；将正弦波信号接入示波器，调节 R10，测得正弦波峰峰值 Upp=3V。7.总结参考文献1 付家才. 电工电子实践教程. 化学工业出版社.20032 尹勇 李林凌. Multisim 电路仿真入门与进阶. 北京：科学出版社.20053 阎石. 数字电子技术基础（第四版）.高等教育出版社.2004
