函数信号发生器报告原理部份.doc

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。输出电路主要功能：幅度调节、波形切换振荡器主要功能：频率调节波形变换器主要功能：产生各种波形输出图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。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。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、R2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=VWZ+VD。VWZ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-后比较器又翻转，如此往复振荡下去。这样VO输出为方波，VC输出为近似三角波。波形如图1.2.2所示。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VOM0.2VZ。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。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、R7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： 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。设某时刻比较器输出VOZ=VZ，积分器的输入电压为+awVz。通过积分器积分使得VOS下降，比较器的正端输入电压Vi+跟随下降。当Vi+电压下降超过0V时，比较器将翻转VOZ=-VZ，Vi+突然变为负电压，此时为VOS的负峰电压-VOSM。VOSM的值为：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+VOSM。振荡器输出VOZ为方波，峰值为稳压二极管所限定的电压VZ，VOS为三角波的输出电压，VOSM为三角波的峰值。振荡器的波形如图1.2.4。图1.2.4 RC有源积分器振荡电路的信号波形在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：可见，VOS对时间为线性。当VOZ由-VZ变为VZ时，VOS=VOSM，则振荡频率f为：代入，并整理得频率为：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采用对称双电源工作（VCC），电源电压选择为：VCCVM+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=R1R2=3.14 K取3K。取10K。R6=RW/9=10/9=1.11（K） 取1K。积分时间常数：取C=0.1uF，则：R5=4.019/0.1=40.19K取39K。取R7=R5= 39K。转换速率一般的集成运算放大电路都能满足要求。3）电路调试2、波形变换电路图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1.5 V。3、输出电路1）电路原理正弦波、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、RW2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、R3和集成运算放大器U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、R4、R5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。R8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：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。R1的取值由输入信号的负载特性决定，当输入信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 K选取RW1、RW2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）RW3则由放大倍数得R3为：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