华中科技大学电子线路测试实验课件函数发生器

1、第二部分第二部分 函数发生器设计函数发生器设计一一 、方波、方波 - 三角波函数发生器设计三角波函数发生器设计函数发生器能自动产生函数发生器能自动产生 方波方波 - 三角波三角波-正弦波。正弦波。其电路组成框图如图其电路组成框图如图3.4.1 所示所示.比 较 器积 分 器差 分 放 大 器图图3.4.1 函数发生器组成框图函数发生器组成框图1、方波、方波 - 三角波产生电路三角波产生电路电路图如图电路图如图3.4.2所示：所示：viaR1VV+A1A2VEER2R3RP1VCCaC1R4RP2C2VCCVEER5vo2vo1比较器比较器积分器积分器C1称为加速电容称为加速电容 ，可加，可加速

2、比较器的翻转速比较器的翻转 R1称为平衡电阻称为平衡电阻 运放的反相端接基准电压，即运放的反相端接基准电压，即V=0; 同相端接输入电压同相端接输入电压via； 比较器的输出比较器的输出vo1的高电平等于正电的高电平等于正电 源电压源电压+VCC，低电平等于负电源电压低电平等于负电源电压VEE ( +VCC = VEE ) 。 当输入端当输入端V+ =V- =0 时，比较器翻转，时，比较器翻转，V01从从+Vcc跳到跳到-Vee，或从，或从-Vee跳到跳到Vcc。运放运放A1与与R1、 R2 、R3、 RP1组成电压比较器。组成电压比较器。viaR1VV+A1A2VEER2R3RP1VCCaC

3、1R4RP2C2VCCVEER5vo2vo1Via = 0若若Vo1 = -Vee, 则则比较器的上门限电位为比较器的上门限电位为 Via+ = -R2R3+RP1(-Vee) = R2R3+RP1(Vcc) 设设 V01= +Vcc, 则则 R2 +R3 +RP1 (+Vcc)R2 + R3+RP1 R2+R3+RP1整理上式整理上式, 得比较器的下门限电位为得比较器的下门限电位为 -R2 R3+RP1(+Vcc) = R3+RP1 -R2(Vcc)Via = V+ =RP1指电位器的调整值指电位器的调整值(以下同以下同) 比较器的门限宽度比较器的门限宽度VH为为 VH = Via+Via

4、= 2 R2 R3+RP1Vcc由上面公式可得比较器的电压由上面公式可得比较器的电压传输特性，如图传输特性，如图3.4.3 所示。所示。vo1ViaVia+VCCVEEviao图图3.4.3 比较器电压传输特比较器电压传输特性性从电压传输特性可见，当输从电压传输特性可见，当输入电压入电压Via从上门限电位从上门限电位Via+下降到下门限电位下降到下门限电位Via时，时，输出电压输出电压Vo1由高电平由高电平+Vcc突变到低电平突变到低电平-Vee。 比较器的传输特性比较器的传输特性 Vo2 = - (+Vcc) (R4+RP2)C2 t = -Vcc(R4+RP2)C2 t当当Vo1= -Ve

5、e时，时， Vo2 = -(-Vee)(R4+RP2)C2 t = Vcc(R4+RP2)C2tviaR1VV+A1A2VEER2R3RP1VCCaC1R4RP2C2VCCVEER5vo2vo1a点断开后，运算放大器点断开后，运算放大器A2与与 R4、RP2、 R5 、C2 组成反相积分器，组成反相积分器，其输入信号为方波其输入信号为方波Vo1时，则积分时，则积分器的输出器的输出 Vo2 = - 1(R4+RP2)C2当当Vo1=+Vcc时，时， Vo1dt VCCVCCR2R3+RP1VEER2R3+RP1o VEEtTT2T4vovo1vo2 a点闭合，形成闭环点闭合，形成闭环 电路电路

6、，则自动产生方，则自动产生方 波波-三角波，其波三角波，其波 形如图形如图3.4.4 所示。所示。 图图3.4.4 方波方波三角波三角波 方方 波波-三角波的工作过程：三角波的工作过程： 当比较器的门限当比较器的门限 电电 压为压为 Via+ 时时输出输出Vo1为高电平（为高电平（+Vcc)。这时积。这时积分器开始反向积分，三角波分器开始反向积分，三角波Vo2 线性下降。线性下降。 当当Vo2下降到比较器的下门限下降到比较器的下门限 电电 位位 Via 时，比较器翻转，输出时，比较器翻转，输出Vo1由高电平跳到低电平。这时由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分，积分器又开始正向积分，Vo

7、2线线性增加。性增加。 如此反复，就可自动产生方如此反复，就可自动产生方 波波-三角波。三角波。三角波的三角波的幅度幅度为：为：Vo2m = VCCVCCR2R3+RP1VEER2R3+RP1oVEEtTT2T4vovo1vo2方波的方波的幅度幅度 略小于略小于 +Vcc 和和-Vee。 方方 波波-三角波的幅度和频率三角波的幅度和频率 -1(R4+RP1)C2T40Vo1 dt = -1(R4+RP1)C2T 4实际上，三角波的幅度实际上，三角波的幅度 也就是比较器的也就是比较器的 门限电压门限电压Via+ Vo2m = Via+ = R2 R3+RP1 Vcc = -Vcc (R4+RP1

8、)C2 T4 Vo2m = Vcc方方 波波-三角波三角波 的波频率为：的波频率为： = R3+RP14R2 (R4+RP2) C2 R2R3+RP1 将上面两式整理可得三角波将上面两式整理可得三角波 的周期的周期 T ， 而而 F = 1 / T三角波三角波 的幅度为：的幅度为： 由此可见：由此可见：1、方波的幅度由、方波的幅度由+Vcc 和和 Vee决定；决定；2、调节电位器、调节电位器RP1，可调节三角波，可调节三角波 的幅度，但会影响其频率；的幅度，但会影响其频率；3、调节电位器、调节电位器RP2，可调节方，可调节方 波波-三角波三角波 的频率，但不会影的频率，但不会影 响响 其幅度，

9、可用其幅度，可用 RP2实现频率微调，而用实现频率微调，而用C2改变频率改变频率 范围。范围。二、二、单片集成电路函数发生器单片集成电路函数发生器ICL8038ICL8038的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间，的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间，它可以同时输出方波它可以同时输出方波(或脉冲波或脉冲波)、三角波、正弦波。其、三角波、正弦波。其内部组成如图内部组成如图3.4.7所示。所示。 FM-BADJF1FM-INADJF27485S2IBIA33k8.2kA1A2比较器VCC23VCC13FFQQRSCt正弦波变换缓冲器缓冲器106312129SQADJS2SINADJS1TR1V

10、+V GND11两个比较器两个比较器A1、A2的基准电的基准电压压2VCC/3、VCC/3由内部电阻由内部电阻分压网络提供。分压网络提供。 触发器触发器FF的输出端的输出端Q控制外控制外接定时电容的充、放电。接定时电容的充、放电。 充、放电流IA、IB的大小由外接电阻决定，当IA= IB时，输出三角波，否则为锯齿波。I 产生三角波产生三角波方波的工作原理与图方波的工作原理与图3.4.2所示电路的工作所示电路的工作原理基本相同。原理基本相同。 ICL8038可以采用单电源可以采用单电源(+10V+30V)供电，也可以采用供电，也可以采用双电源双电源(5V15V)供电。供电。 由由ICL8038组

11、成的音频函数发生器如图组成的音频函数发生器如图3.4.8所示。电阻所示。电阻R1与电位与电位器器RP1用来确定用来确定脚的直流电位脚的直流电位V8，通常取，通常取V82/32/3VCC。V8越高，越高，IA、IB越小，输出频率越低，反之亦然。因此，越小，输出频率越低，反之亦然。因此，ICL8038又称为又称为压控振荡器压控振荡器(VCO)或频率调制器（或频率调制器（FM)。RP1可调节的频率范围可调节的频率范围为为20Hz20kHz。 C10.1FRP21kRARB4.7k4.7k546RL15k+5VVCC9328ADJF2ADJF1V +SQTR1SINV/GNDFM-INCtCt4700

12、pF101112RP3100k20Hz20kHz5VRP110kR120k8038VEEADJS2图图3.4.8 ICL8038组成的音频函数发生器组成的音频函数发生器三、函数发生器的性能指标三、函数发生器的性能指标 输出波形输出波形 正弦波、正弦波、方方 波、三角波波、三角波 频率范围频率范围 1Hz10Hz , 10Hz100Hz , 1001KHz , 1KHz10KHz , 10KHz100KHz , 100KHz1MHz. 输出电压输出电压 一般指输出波形的峰一般指输出波形的峰-峰值，即峰值，即 Vp-p = 2Vm. 波形波形 特性特性 表征正弦波特性的参数是非线性失真表征正弦波特

13、性的参数是非线性失真 ，一般要求，一般要求 3%；表征三角波特性的参数是非线性系数；表征三角波特性的参数是非线性系数 ， 一般要求一般要求 2%；表征方波特性的参数是；表征方波特性的参数是 上升时间上升时间 tr，一般要求，一般要求 tr100ns(1kHz，最大输出时，最大输出时)。四、设计举例四、设计举例（1 1） 确定电路形式及元器件型号确定电路形式及元器件型号 例例 设计一方设计一方 波波-三角波三角波-正弦波正弦波 性能指示要求性能指示要求采用如图采用如图3.4.9所示电路，其中运算放大器所示电路，其中运算放大器A1与与A2用一只双运放用一只双运放 A747，差分放大器采用本章第三节

14、设计完成的晶体管单端输，差分放大器采用本章第三节设计完成的晶体管单端输入入 单端输出差分放大器电路。因为方波的幅度接近电源单端输出差分放大器电路。因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压电压，所以取电源电压+VCC= +12V，VEE= 12V。 三角波三角波-方方 波波-正弦波函数发生器实验电路正弦波函数发生器实验电路vo1+12V13124R320k12V47k10kR22R110k1RP2R45.1k100k76R510kA1A294C110FSC21F+12Vvo210C3470FRP347kC4470FRB16.8kT1RC110k+12VRC210kC6*0.1FC5470Fvo

15、3RB2T26.8k100RP4RE2100RE32kT3T4RE42kR8kBG31912VA74712A7471212VRP1A1A2*+图图3.4.9 三角波三角波方波方波正弦波函数发生器实验电路正弦波函数发生器实验电路此处引脚标号为此处引脚标号为uA747芯芯片的，而实验中用片的，而实验中用741芯芯片，引脚号不同，插板片，引脚号不同，插板时一定要注意。时一定要注意。（2）计算元件参数比较器比较器A1与积分器与积分器A2的元件参数计算如下：的元件参数计算如下： 由式由式(3-4-8)得得 当当1Hzf10Hz时，取时，取C2=10 F，R4=5.1k ，RP2=100k ； 当当 10

16、Hzf100Hz时，取时，取C2=1 F，以实现频率波段的转，以实现频率波段的转 换换 ；R4及及RP2的取值不变。取平衡电阻的取值不变。取平衡电阻R5=10k 。R VccR3+RP1=Vo2m =412 = 1 3取取 R2= 1 0 k ， 取， 取 R3= 2 0 k , R P1= 4 7 k , 平 衡 电 阻平 衡 电 阻 R1= R2/(R3+RP1) 10k 由输出频率的表达式由输出频率的表达式(3-4-9)得得R4 + RP2 =R3 + RP14 R2 C2 三角波三角波正弦波电路的参数选择原则是：正弦波电路的参数选择原则是：隔直电隔直电容容C3、C4、C5要取得较大，因

17、为输出频率很低，要取得较大，因为输出频率很低，取取C3= C4= C5=470 f，滤波电容，滤波电容C6的取值视输出的取值视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则的波形而定，若含高次谐波成分较多，则C6一一般为几十皮法至般为几十皮法至0.1 F。RE2=100 与与RP4=100 相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性器的静态工作点可通过观测传输特性 曲线、调曲线、调整整RP4及电阻及电阻R*来确定。来确定。 五、电路安装与调试技术五、电路安装与调试技术 1、方、方 波波-三角波发生器的装调三角波发生器的装调由于

18、比较器由于比较器A1与积分器与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路需同时安装。要注意的是，在安装电三角波，故这两个单元电路需同时安装。要注意的是，在安装电位器位器RP1与与RP2之前，先将其调整到设计值，否则电路可能会不起之前，先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。如果电路接线正确，则在接通电源后，振。如果电路接线正确，则在接通电源后，A1的输出的输出vo1为方波为方波，A2的输出的输出vo2为三角波，在低频点时，微调为三角波，在低频点时，微调RP1，使三角波的输，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，再调节出幅度满足设计指标要求，再调节RP2，则输出频率连续可变。，则输出频率连续可变。3、误差分析、误差分析 方波输出电压方波输出电压Vp-p2VCC，是因为运放输出级由，是因为运放输出级由NPN型或型或PNP型两种