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1、函数信号发生器一、 设计要求和指标1、连续可调频率范围为 10Hz100Hz。2、可输出三角波、方波、正弦波。3、三角波、方波、正弦波信号输出的峰-峰值 05V 连续可调。4、三角波、方波、正弦波信号输出的直流电平-3V3V 连续可调。5、输出阻抗约 600。二、 函数发生器的基本原理函数发生器是能产生多种波形的信号发生器。如产生正弦波、三角波、方波、锯齿波、阶梯波和调频、调幅等调制波形。一般至少要求产生三角波、方波和正弦波。产生各种信号波形的方法很多，其电路主要由振荡器、波形变换器和输出电路三个部分组成。如图 1.1.1。图 1.1.1 函数发生器框图振荡电路主要产生具有一定频率要求的信号。
2、它决定了函数发生器的输出信号的频率调节范围、调节方式和频率的稳定度；在要求不高的场合，电路往往以需要产生的波形中的一种信号作为振荡信号。常用的振荡器有脉冲振荡器和正弦波振荡器。该部分主要考虑信号频率调节范围和频率的稳定度。波形变换器功能是对振荡源产生的信号进行变换和处理，形成各种所需的信号波形。重点考虑波形的失真问题，通过采取各种措施尽可能使波形失真减少。输出电路是对各路波形信号进行幅度均衡和切换，并完成信号幅度的调节、功能；重点考虑输出端的特性，如输出波形的最大幅值、输出功率和输出阻抗等。三、 单元电路设计1、振荡电路振荡器形式很多，主要有正弦波振荡器和非正弦波振荡器两类；正弦波振荡器的电路
3、形式较多，有 LC 振荡器、桥式振荡器、RC 移相振荡器等。LC 振荡器一般用于高频电路，而桥式振荡器和 RC移相振荡器通常用于低频电路。其特点是产生的正弦波的波形一般比较好，但频率调节范围比较小，幅度受频率变化的影响较大。非正弦波振荡器产生的是脉冲波，电路形式更多，简单、容易实现，一般用 RC 充放电特性形成振荡；往往同时能产生锯齿波或三角波，频率调节范围宽，幅度较稳定。1）方案选择方案一：利用集成运算放大电路也可实现产生方波和三角波的信号发生器，电路主要由比较器和积分器构成。图 1.2.1 是由 RC 无源积分器和比较器所组成的三角波、方波产生电路，它的特点是线路简单，但性能较差，尤其是三
4、角波的线性度和负载能力差。所以这种电路一般用于要求不高的场合。ARR2R1CR3 VoVcDZDZ图 1.2.1 三角波、方波产生电路之一电路中，集成运算放大器由电阻 R1、R 2连接构成迟滞比较器，它形成的两个门限比较电压为：上限电压：下限电压：其中，Vz=V WZ+VD。V WZ和 VD分别为稳压二极管的稳压值和正向导通电压。积分器和迟滞比较器构成振荡电路。设开始时 Vo=+Vz，此时，集成运算放大器正输入端的电压为 VT+；Vo 电压通过 R 对 C 充电，Vc 上升直到 VT+，比较器翻转，Vo 变为-Vz，集成运算放大器正输入端的电压也变为 VT-，C 通过 R 放电至 VT-后比较
5、器又翻转，如此往复振荡下去。这样 VO输出为方波，V C输出为近似三角波。波形如图 1.2.2 所示。VVVV0 tT+T-zzVOVCVOVC图 1.2.2 由 RC 无源积分器振荡电路的信号波形由于三角波是电容 C 的充放电形成，电容的充放电是按指数规律变化的，并不是线性，所以三角波的线形不好。要获得比较好的三角波，时间常数 RC 必须取得很大，这样振荡频率将变得很低，如果要保证信号的频率，必须增大 R1减少 R2，三角波的峰值将变得比较小，一般取 VOM0.2V Z。方案二：如图 1.2.3 电路采用有源积分器可有效解决三角波形线性不好的问题，故设计时选用该方案。Z1T-2=+1AR4R
6、2R1R3DZDZRW 2AR5R7CVozVosR6Vi+图 1.2.3 三角波、方波产生电路之二电路中，有源积分器由运算放大器 2A 及其外围电路积分电容 C 和电阻 R5、R 7组成。有源积分器的输出通过 R1接至比较器 1A 的正输入端，积分器的输入电压由电位器分压取出，设 RW 与 R6形成的分压系数为 aw，则积分器的输入电压为 Vi=awVz。分压系数 aw为： 1aRW6即积分器的输入电压 Vi的峰值电压通过调节电位器 RW，可从 到 VZ可调。R6设某时刻比较器输出 VOZ=VZ，积分器的输入电压为+a wVz。通过积分器积分使得 VOS下降，比较器的正端输入电压 Vi+跟随
7、下降。当 Vi+电压下降超过 0V 时，比较器将翻转 VOZ=-VZ，V i+突然变为负电压，此时为 VOS的负峰电压-V OSM。V OSM的值为： Z1OSM2=R比较器输出电压 VOZ=-VZ又通过积分器使得 VOS上升，当 Vi+电压上升超过 0V 时，比较器又将翻转为VOZ=VZ，重复下一次的振荡。此时 VOS为正峰电压+V OSM。振荡器输出 VOZ为方波，峰值为稳压二极管所限定的电压 VZ，V OS为三角波的输出电压，V OSM为三角波的峰值。振荡器的波形如图 1.2.4。V-V-VV0 tOSMOSMzzVozVosVozVos图 1.2.4 RC 有源积分器振荡电路的信号波形
8、在 VOZ=-VZ期间（为振荡半周期 T/2） ，积分器的积分时间常数约为 ，输出电压 VOS：5=RCOSM5ZWOSM5ZWOS VtadtCRVa可见，V OS对时间为线性。当 VOZ由-V Z变为 VZ时，V OS=VOSM，则振荡频率 f 为：OSM5ZWOSMV2TCRaV代入 ，并整理得频率为：Z1OSM2VR=w251af=T4RC可见改变 aWw可改变频率，RW 为频率调节电位器。改变电容 C 也可调节频率，通过开关，以 10 倍地切换容量可获得 10 倍的频率档位扩展。2）电路设计及参数估算根据输出口的信号幅度要求，可得最大的信号幅度输出为：VM=5/2+3=5.5V采用对
9、称双电源工作（V CC） ，电源电压选择为：VCCV M+2V=7.5V 取 VCC=9V选取 3.3V 的稳压二极管，工作电流取 5mA，则：VZ=VDZ+VD=3.3+0.7=4V 为方波输出的峰值电压。取 680。取 8.2K。R1=R2/3=8.2/1.5=5.47（K） 取 5.1K。三角波输出的电压峰值为：VOSM=VZR1/R2=45.1/8.2=2.489（V ）R4=R1R 2=3.14 K取 3K。 Z4W=8K0.I0.15（ ）（ ）取 10K。R6=RW/9=10/9=1.11（K） 取 1K。积分时间常数： 251MAX8.C=4.019mS4f5（ ）取 C=0.
10、1uF，则：R5=4.019/0.1=40.19K取 39K。OZCZ3-1.59-1.54R=70II（ ）2Z480.I.（ ）取 R7=R5= 39K。转换速率 Z1maxOSMmax24VRf45.10f =.95mS82（ V/）一般的集成运算放大电路都能满足要求。3）电路调试1. 接入电源后，用示波器进行双踪观察；2. 调节 RP1，使三角波的幅值满足指标要求；3. 调节 RP2，微调波形的频率；4. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装1. 把两块 741 集成块插入面包板，注意布局；2. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；3. 按图接线，注意直流源的正负及接
11、地端2、波形变换电路32 1ATL082D21N4148D11N4148R2 27kR1 20kR5100KRW2.4k出出出出出三 角 波 输 入 R3 24kR4 100D61N4148D41N4148D51N4148D31N4148图 1.3.3 利用二极管将三角波转换成正弦波图 1.3.3 是利用二极管的非线性将三角波转换成正弦波的一种简单方案。图中采用两级二极管转换，构成两个转折点的三段折线逼近正弦波电路。随着三角波输入电压增大，二极管逐级导通，等效的负反馈电阻逐级变小，放大倍数变小。调节三角波的输入幅度，使输出正弦波的失真最小即可。三角波的输入幅度约为 2 V，输出正弦波的幅度约为
12、 1.5 V。3、输出电路1）电路原理R3R2R7RW3 23 5681 47U LM318VCCRW1RW2R1三 角 波 输 入正 弦 波 输 入方 波 输 入 R8 输 出R4R6RW4 R5VCC -VCC正弦波、三角波、方波三路信号经过开关切换到放大电路的输入端。选择其中一路信号进行输出。由于三路信号的幅度不一致，开关切换波形时会产生幅度跳变，且进行幅度调节时，幅度的变化不同步。必须对三路信号幅度进行平衡。以其中一路信号（幅度最小的一路）作为基准，利用电位器 RW1、RW 2调节另外两路信号的幅度，使三路信号在幅度调节电位器 RW3上产生的幅度相等。R2、R 3和集成运算放大器 U
13、形成信号的放大电路，对信号进行放大，电位器 RW3用于调节信号的输出幅度。 RW4、R 4、R 5用于调节输出的直流电平大小，直流电平由 R6叠加到运算放大电路的输入端经放大后输出。R 8形成所要求的输出电阻，同时保护输出端短路损坏集成电路。2）电路设计及参数估算（1）输入回路元件参数各个波形信号统一的最大输入电压： MP3I1VW=R+A电阻 R1电位器 RW3的取值不能太大，也不能太小。取值太大，由于各种杂散因素的影响，会使信号的质量下降。取值太小又可能使输入信号过载，信号幅度下降，严重时会使信号失真。电位器的取值范围一般在 1K10K 之间。R 1的取值由输入信号的负载特性决定，当输入信
14、号的内阻较小时可取得较小，也可以短路。一般情况下在几百欧姆到几千欧姆之间取值。电路中，选取 R1=X K。电位器 RW3 取 X KMPI3W1(V-)R=PI32(-)A选取 RW1、RW 2的标称值为使用值的两倍左右即可。（2）放大电路元件参数输入电阻 R2（310）RW 3则由放大倍数得 R3为： MP32IVR=R8根据输出电阻要求来选取。（3）直流调节电路参数取电路的直流放大倍数为 1，有 R6=R3，采用正负对称电源时 R4=R5。设输出直流电压最大调节范围是-V -+V-，则要求 RW4的电压调节范围： VR6363若 R6=R3，有-V -+V-。取分压电路的工作电流为 I，I
15、 同时要满足：-6I=(310)否则，输入回路将对分压电路产生影响。R 4、R 5、RW 4的取值由下式确定。-2VWIC445=R7为平衡电阻，其值为：R 7R 2R 3R 6，考虑电位器 RW3、RW 4的影响，取值稍大一些。3）电路调试1. 接入直流源后，把 C4 接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；2. 测试 V1、V2 的电容值，当不相等时调节 RP4 使其相等；3. 测试 V3、V4 的电容值，使其满足实验要求；4. 在 C4 端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；四、 整机电路调试1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察2. 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值大于 1V。五仪器仪表清单设计所用仪器及器件1直流稳压电源 1 台2双踪示波器 1 台3万 用 表 1 只4运 放 741 2 片5电位器 50K 2 只 100K 1 只100 1 只6电 容 470F 4 只0.05F 2 只 7三极管 9013 4 只8面包板 1 块9剪刀把10仪器探头线 2 根11电 源 线
