函数发生器的设计.doc

邵阳学院毕业设计（论文） 三明学院 设计(论文)课 题 名 称 函数发生器的设计 学 生 姓 名 陈细清 学 号 20070623220 系、年级专业 物理与机电工程 07电子信息工程技术（2）班 指 导 教 师 蔡少川 职 称 副教授 2009年 12 月 19 日92010届07电子信息工程技术（2）班毕业设计 目 录摘 要 1导 言 1一. 设计任务和要求 2二 .方案论证与比较 2 2.1系统功能分析 2 2.2方案论证 2三. 基本原理 2四. 设计过程 24.1 方波-=三角波产生电路的设计 24.2、 三角波-正弦波变换电路的设计 6五. 调试要点 75.1.方波-三角波发生器的装调 75.2.三角波-正弦波变换电路的调试 85.3、误差分析及改善措施 9六. 心得体会 9七参考文献 9函数发生器的设计陈细清三明学院07级电子信息工程技术（2）福建三明 365004摘 要 信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。常用超低频信号发生器的输出只有几种固定的波形，不能更改。本系统本课题将介绍由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，了解多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点， 进一步掌握波形参数的测试方法。制作这种低频的函数信号发生器成本较低，适合学生学习电子技术测量使用。制作时只需要个别的外部元件就能产生从110HZ，10100HZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制。其中比较器与积分电路和反馈网络（含有电容元器件）组成振荡器，其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波，电容的充，放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。关键词 ： LM747、比较器、积分电路、反馈网络、晶体差分放大器、函数发生器 设计Abstract Signal generator is a common signal source, widely used in electronic circuits, automatic control systems, and teaching experiments and other fields. Commonly used ultra-low frequency signal generators output is only a few fixed waveforms, can not be changed. The system will introduce this topic by an integrated op-amp differential amplifier and crystal composed of square wave triangle wave - - sine wave function generator design approach to understand the multi-function signal generator IC functions and characteristics, further understand the waveform parameter method. The production of such low-frequency signal generator function of lower cost, suitable for students to learn the use of electronic technology measurement. When making a separate external components only need to be able to generate from the 1-10HZ ,10-100HZ, low-distortion sine wave, triangle wave, square wave pulse signal, etc. Output waveform of the frequency and duty cycle can also be controlled by a current or resistance. The more devices and integral circuits and feedback network (with capacitance components) composed of oscillator, which produces a square wave comparator circuit through the integral transforms into triangular wave, capacitive charge and discharge time determines the triangle wave frequency. Finally the differential amplifier transfer characteristic curve of non-linear characteristics of the triangular wave into sine wave. Keywords: LM747, comparator, integral circuit, feedback network, crystal differential amplifier, function generator design导 言 在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。函数发生器一般指能自动发生正弦波，三角波，方波和锯齿波，阶梯波等信号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和实验调试技术，本课题将介绍由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。 一、设计任务和要求任务：设计一个方波-三角波-正弦波函数发生器要求： （1）频率范围：110HZ，10100HZ （2）输出电压：方波；三角波；正弦波 （3）波形特性：方波；三角波非线性失真系数Y1；正弦波非线性失真系数Y2二、方案论证与比较 2.1系统功能分析 本设计的核心问题是信号的控制问题，其中包括信号频率、信号种类以及信号强度的控制。在设计的过程中，我们综合考虑了以下三种实现方案： 2.2方案论证 方案一采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 方案二采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。 方案三：采用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，制作一种函数信号发生器。经多种方案的比较论证，由于本实验任务：设计一个方波-三角波-正弦波函数发生器频率范围：110HZ，10100HZ ；输出电压：方波；三角波；正弦波；波形特性：方波，三角波非线性失真系数Y1，正弦波非线性失真系数Y2。所以采用第三种方案制作成本较低且能满足本实验的基本要求，产生低频的方波；三角波；正弦波的信号。三、基本原理产生正弦波，三角波，方波的电路方案有多种，这里介绍一种能够产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，其电路框图如图1所示。 图1 函数发生器组成框图 图中的比较器与积分电路和反馈网络（含有电容元器件）组成振荡器，其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波，电容的充，放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。四、设计过程4.1、方波-=三角波产生电路的设计如图2所示电路能自动产生方波-三角波信号。图2 方波三角波产生电路其中运算放大器IC1与R1，R2及R3,RP1组成一个迟滞比较器，C1为翻转加速器。迟滞比较器的Ui（被比信号）取自积分器的输出，通过R1接运放的同相输入端，R1称为平衡电组；迟滞比较器的UR（参考信号）接地，通过R2运放的反相输入端。迟滞比较器输出U01的高电平等于正电源电压+VCC，低电平等于负电源电压-VEE(VEE=-VEE)当U+ U-时，U01输出从高电平+VCC翻转到低电平-VEE；当U+ U-时，输出U01从低电平-VEE跳到高电平+VCC。 若U01=+VCC，根据电路叠加原理可得 将上式整理，因为UR=0，则比较器翻转的下门限电位UTH2为 若U01=-VEE，根据电路叠加原理可得 将上整理，得比较器翻转的上门限电位UTH1为 比较器的门限宽度UTH 为 由上式可得迟滞比较器的电压传输特性如图3所示 图3 比较器传输特性运放IC2与R4，RP1和C2及R5组成的反相积分器。其输入是前级输出的方波信号U01，从而得积分器的输出U01为 当U01=+VCC时，电容C2充电，电容的电压U02上升 即U02下降。当U02（即Ui）下降到U02= UTH2时，比较器IC1的输出U01状态发生翻转，即U01由高电平+VCC变为低电平-VEE ，于是电容C2放电，电容电压Uc2下降，而 即U02线性上升。当U02（即Ui）上升到U02= UTH1时，比较器IC1输出U01状态又发生翻转即U01由低电平-VEE变为高电平+VCC，电容C2又被充电，周而复始，振荡不停。U01输出是方波，U02输出是一个上升速度与降速率相等的三角波，其波形关系如图4所示 图4 三角波与方波的关系由上图可知，三角波的幅值U02m为U02的下降时间为 而U02的上升时间为而把UTH1和UTH2值代入，得三角波的周期（方波的周期和其相同）为从而可知方波-三角波的频率为由f和U02m的表达式可以得出结论：.使用电位器RP2调整方波-三角波的输出频率时,不会影响输出频率和幅度.若要求输出信号频率范围较宽,可用C2改变频率范围,用RP2实现频率微调.方波的输出幅度应等于电源电压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,但会影响方波的频率. 实现设计中, IC1和IC2可选择双运算器集成电路LM747(也可以选其他合适的运放),采用双电源供电, +VCC=12V,- VEE=-12V。 比较器与积分器的元器件参数计算如下:由式得 取R2=10K,则R3+ RRP1=30K,选择R3=20K, RRP1为27K的电位器.取平衡电阻RP1=R2（R3+ RP1）10K由式得当1HZf10HZ时,取C2=10uF,则R4+ RP2=(757.5)K,选择R4=4.7K, RP2为100K的电位器.当10HZf10HZ时,取C2=1uF以实现频率波的转换(实现电路当中需用波段开关进行转换), R4和RP2的取值不变.平衡电阻R5. =10KC1为加速电容,选择电容值为100pF的瓷片电容.4.2、 三角波-正弦波变换电路的设计 工作原理在本设计方案中，三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强，可以有效地抑制零点漂移。利用差分放大器可将低频率的三角波变换成正弦波。波形变换利用的是差分放大器传输特性曲线的非线性。根据理论分析差分电路的差模输入U为三角波，则I与的波形近似为正弦波。因此单端输出电压U也近似于正弦波，从而实现了三角波-正弦波的变换。.这里选择的差分放大器电路形式如图所示.波形变换利用的是差分放大器的传输特性曲线的非线性.分析表明,传输特性曲线表达式为式中=IC/IE1;为差分放大器的恒定电流;UT为温度的电压当量,当室温为25时UT26Mv。根据理论分析,如果差分电路的差模输入Uid为三角波,则IC1和IC2的波形近似为正弦波.因此,单端输出电压Uo3也近似于正弦波,从而实现三角波的变换.由图可知,差动放大器电路的传输特性曲线的线性区域窄,其输出波形近于正弦波.在图5所示的电路中,电阻R*1与电位器RP3用于调节输入三角波的幅度, RP4用于调节电路的对称性, RE1可以减小差动放大器的传输特性的线性区.电容C3 ,C4 ，C5 ,为隔直电容, C6为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形. 图5 三角波正弦波转换电路差分放大电路采用单端输入-单端输出的电路形式，4只晶体管选用集成电路差分对管BG319或双三极管S3DG6等。电路中晶体管1 =2=3=60。电源电压同上，取+VCC=12V,- VEE=-12V。三角波-正弦波变换电路的参数如下：三角波经电容C3和分压电路R*1给差分电路输入差模电压Uid。一般情况下，差模电压Uid 26mV，因三角波幅值为8V，故取R*1=47K、RP3=470。因三角波频率不太高，所以隔直电容C3 ,C4 ，C5要取得大一些，这里取C3 =C4 =C5=470Uf.滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，C6可取得较小，一般为几十皮法至几百皮法。RE1=100与RP4=100相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流电源I0决定，故一般先设定I0。I0取值不能太大，I0越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但I0也不能太小，一般为几毫安左右。这里取差动放大的恒流源电流I0=1mA，则Ic1=Ic2=0.5Ma,从而可求得晶体管的输入电阻r为保证差分放大电路有足够大的输入电阻ri，取ri20k，根据ri=2(rbe+RB1）得RB16.6k，故取RB1 =RB2=6.8k。因为要求输出的正弦波峰值大于1V，所以应使差动放大电路的电压放大倍数Au40。根据Au的表达式 可求得电阻（RL） 进而选取 RC1=RC2=15K。 对于恒流源电路，其静态工作点和元器件参数计算如下： 发射极电阻一般取几千欧姆，这里选择RE3=RE4=2K，所以=9.3K。在实际当中可用一个10K的电位器和一个4.7K的电阻来代替。函数发生器电路图如图6所示图6 函数发生器电路图五、调试要点图7为函数发生器的PCB图。制作印刷电路板 ：首先，按图制作印刷电路板，注意不能有断线和短接，然后，对照原理图和印刷电路板的元件而进行元件的焊接。可根据自己的习惯并遵循合理的原则，将面板上的元器件安排好，尽量使连接线长度减少，变压器远离输出端。再通电源进行调试，调整分立元件振荡电路放大元件的工作点，使之处于放大状态，并满足振幅起振条件。仔细检查反馈条件，使之满足正反馈条件，从而满足相位起振条件。制作完成后，应对整机进行调试。先测量电源支流电压，确保无误后，插上集成快，装好连接线。可以用示波器观察波形发出的相应变化，幅度的大小和频率可以通过示波器读出5.1.方波-三角波发生器的装调由于比较器IC1和积分器IC2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，所以这两个单元可以同时安装。安装完毕后，只要接线正确，就可以通电观测与调试。通电后，用示波器观察U01与U02如果电路没有产生相应的波形，说明电路没有起振。可以调节RP1与RP2的大小使电路起振。电路起振后用示波器测试波形的幅值，会发现方波的幅值很容易达到设计要求；微调RP1，使三角波的幅度也能满足要求。调节RP2观察波形输出频率在对应波段内连续可变的情况。 图7函数发生器的PCB图5.2.三角波-正弦波变换电路的调试A经电容C4输入差模信号电压Uid=30mv的正弦波。用示波器观察差分电路电极输出电压的波形，调节RP4和电阻R2*，使传输特性曲线对称。再渐渐增大Uid，直到传输特性曲线形状如图所示，记下此时对应的Uid。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0,UC1,UC2,UC3,UC4。B将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出波开经RP3后电压等于Uid值，这时U03的输出波形接近正弦波，调整C6大小可改善输出波形。如果U03的波形出现较严重的失真，刚应调整和修改电路参数，如果产生钟形失真，是由于传输特性曲线的线性区太宽所致，应减小RE1；如果产生半波圆顶或平顶失真，是由于工作点Q偏上或偏下所致，这时传输特性曲线对称较差，应调整电阻R2*；如果产生非线性失真，是因为三角波的线性受运放性能的影响而变差，可在输出端加滤波网络改善输出波形。5.3、误差分析及改善措施 （1）.正弦波失真。调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。 （2）.输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。 （3）.没有振荡。是10脚与11脚短接了，断开就可以了 （4）.产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此