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1、武汉理工大学函数发生器设计- 1 -11目录摘要摘要331 1 方案的选择方案的选择44 1.11.1 问题的提出问题的提出441.21.2 基本原理基本原理441.31.3 提出解决问题的方案及选提出解决问题的方案及选551.41.4 可行性分析可行性分析10101.51.5 参数的确定参数的确定10102.2.仿真结果及分析仿真结果及分析12123.3.心得体会心得体会13134.4.元器件清单元器件清单14145.5.参考文献参考文献1414武汉理工大学函数发生器设计- 2 -22摘要摘要函数信号发生器是一种能能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波） 、正弦波的电路被称为函数
2、信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。产生正弦波,方波,三角波的方案有多种,如先产生正弦波,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。现在我要设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案利用 Pspice 进行仿真 武汉理工大学函数发生器设计- 3 -331 方案的选择方案的选择 1.1 问题的提出问题的提出设计一个函数发生器使得能够产生方波、三角波、正弦波。1、主要技术指标频率范围 10Hz100
3、Hz，100Hz1000Hz，1kHz10kHz频率控制方式 通过改变 RC 时间常数手控信号频率通过改变控制电压 Uc 实现压控频率 VCF输出电压 正弦波 Upp3 V 幅度连续可调;三角波 Upp5 V 幅度连续可调;方波 Upp14 V 幅度连续可调.波形特性 方波上升时间小于 2s；三角波非线性失真小于 1%；正弦波谐波失真小于 3%。2、设计要求（1） 根据技术指标要求自选方案设计出原理电路图，分析工作原理，计算元件参数。（2） 列出所有元、器件清单。（3） 利用 Pspice 进行仿真。（4） 观察并分析结果。1.2 基本原理基本原理:1、函数发生器的组成函数发生器一般是指能自动
4、产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。1.3 提出解决问题的方案及选取提出解决问题的方案及选取由运算放大器单路及分立元件构成，方波三角波正弦波函数发生器电路组成如图 1 所示，方波由比较器产生,三角波是方波输入积分器而输出的,这就解决了方波与三角波的产生方案.因此方案的关键在于三角波到正弦波的变换。武汉理工大学函数发生器设计- 4 -44图 1首先介绍方波三角波发生电路:如图所示为产生电路原理图：电路工作原理如下：若 a 点断开，运放与 R1,R2 及 R3，RP1组
5、成电压器，R1 称为平衡电阻,C1 称为加速电容，可加速比较器的翻转；运放的反相端接基准电压，即 V-=0,同相端接输入电压via；比较器的输出 vo1 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 V+=V-=0 时，比较器翻转，输出 vo1 从高电平 +Vcc 跳到低电平-VEE,或者从低电平-VEE跳到高电平+Vcc。设 vo1=+Vcc,则 (1-1)013213)(1322ViaRPRRRPRVccRPRRRV式中，RP1 指电位器的调整值（以下同） 。将上式整理，得比较器翻转的下门限点位武汉理工大学函数发生器设计- 5 -55Via-=
6、 (1-2)VccRPRRVccRPRR 132)(132 若 Vo1=-VEE，则比较器的翻转的上门限点位Via+= (1-3)VccRPRRVccRPRR 132)(132 比较期的门限宽度 VH=Via+-Via-=2 (1-4)VccRPRR 132 A 点断开后，运放 A2 与 R4,RP2、C2 及 R5 组成反相积分器，其输入信号万恶为方波vo1，则积分器的输出Vo2= (1-5)dtvoCRPR12)24(1当 vo1=+Vcc 时,Vo2= (1-6)tCRPRVcctCRPRVcc 2)24(2)24()( 当 vo1=-VEE 时,Vo2= (1-7)EE() ( 42)
7、 2( 42) 2VVccttRRPCRRPC 可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率和下降速率相等的三角波，其波形关系如图所示A 点闭合，即比较器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度 Vo2m= (1-8) VccRPRR 132 方波-三角波的频率f= (1-9)2)24(2413 CRPRRRPR 武汉理工大学函数发生器设计- 6 -66由式(1-8)及式(1-9)可以得出以下结论 .1.电位器 RP2 在调整方波-三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形幅度。若要求输出 频率范围较宽，可用 C2 改变频率的范围，RP2 实现频率微调。2.方波的幅度约等
8、于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。电位器 RP1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。下面就来根据方波正弦波变换形式的不同来确定不同的方案：方案一：用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器:波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图2 所示。由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim 应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。图 2方案一的完整电路图如图 3(下一页)武汉理工大学函数发生器设计- 7 -77图表 3方案二：用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器用二
9、极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换二极管折线近似电路 图 4 根据二极管折线近似电路实现三角波正弦波的变换的原理图，可得其输入、输出特性曲线如图 4 所示。频率调节部分设计时，可先按三个频率段给定三个电容值：1000pF、0.01f、0.1F 然后再计算 R 的大小。手控与压控部分线路要求更换方便。为满足对方波前后沿时间的要求，以及正弦波最高工作频率（10kHz）的要求，在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用 Sr 值较大的运放（如 LF353） 。为保证正弦波有较小的失真度，应正确计算二极管网络的电阻参数，并注意调节输出三角波的幅度和对称度。输入波形中不能含有武汉理工大学函数发生
10、器设计- 8 -88直流成分。方案二的完整电路图如图(5)图(5)方案三：用单片集成函数发生器 5G8038图(6)是由 A741 和 5G8038 组成的精密压控震荡器，当 8 脚与一连续可调的直流电压相连时，输出频率亦连续可调。当此电压为最小值（近似为 0）时。输出频率最低，当电压为最大值时，输出频率最高；5G8038 控制电压有效作用范围是 03V。由于 5G8038本身的线性度仅在扫描频率范围 10：1 时为 0.2%，更大范围（如 1000：1）时线性度随之变坏，所以控制电压经 A741 后再送入 5G8038 的 8 脚，这样会有效地改善压控线性度（优于 1%） 。若 4、5 脚的
11、外接电阻相等且为 R，此时输出频率可由下式决定：f=0.3/RC4设函数发生器最高工作频率为 2kHz，定时电容 C4 可由上式求得。电路中 RP3 是用来调整高频端波形的对称性，而 RP2 是用来调整低频端波形的对称性，调整 RP3 和 RP2 可以改善正弦波的失真。稳压管 VDz 是为了避免 8 脚上的负压过大而使5G8038 工作失常设置的。武汉理工大学函数发生器设计- 9 -99图(6)1.4 可行性分析：可行性分析：上面三种方案中，方案一与方案二中三角波正弦波部分原理虽然不一样，但是他们共同的地方就是有相同的方波三角波产生电路图。而方案三采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条
12、件和成本的限制，我首先抛弃的是第三种方案。其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件，所以从简单而且便于购买的前提出发我选择方案一为我最终的设计方案。1.5 参数的确定参数的确定:1、从电路的设计过程来看电路分为三部分：正弦波部分方波部分三角波部分2、正弦波部分由于我们选取差分放大电路对三角波正弦波进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我武汉理工大学函数发生器设计- 10 -1010现在选择 KSP2222A 型的三极管，其静态曲线图像如右图所示。根据 KSP2222A 的静态特性曲线，选取静态 工作区的中心5,0.250.12 ,20cceImA ImAVV 由直流通路有：20 k112 CEcCRIV12ccRRk226.8BBBVRIR
