毕业设计-(论文)-函数信号发生器设计说明

1、题目:函数信号发生器的设计(二) 毕业设计(论文)开题报告专业课 西贝信息科学与技术系教师同祖主题名称函数信号发生器的设计(二)国内外现状及研究情况；信号发生器又称信号源或振荡器，按其信号波形可分为四类:正弦信号发生器、函数(波形)信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器。能够产生三角波、锯齿波、矩形波(包括方波)、正弦波等各种波形的电路称为函数信号发生器。众所周知，实验和一些科学研究中常用的一些基本测试信号，如示波器、电视等仪器，用作时基电路的锯齿波和实验中经常用作信号源观察波形畸变的正弦波，都可以用函数信号发生器产生。此外，函数信号发生器在通信、广播、工业等领域也起着重要的作用。研究目标

2、、内容、难点和重点:研究及内容:设计一个函数信号发生器，可以自动产生方波、三角波、正弦波。其频率要求如下:1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz，1KHz-10KHz .研究难点:差分放大器的传输特性曲线必须对称，才能输出完美的正弦波。研究重点:频率范围可调，满足函数信号发生器的部分性能指标。研究方法和实施计划:方法:采用集成运算放大器和晶体管差分放大器实现函数信号发生器的设计。实施计划:1。画出函数信号发生器的原理图和印刷电路图。2.完成电路板的焊接。3.安装、调试和完成设计工作。4.写毕业论文。完成本项目的困难和要求:有困难:组件多，排版排版难度大。题目要求:整个电路

3、的电源电路必须自制。教师(签名)群体设计(签名)日期o年、月、日函数信号发生器的设计(二)函数信号发生器的设计(2)摘要函数信号发生器是一种能自动产生方波、正弦波、三角波等电压波形的仪器。它被广泛应用于实验和科学研究中。本课题的任务是设计一个函数信号发生器，可以自动产生方波、三角波和正弦波。本文主要讨论函数信号发生器，分为四个部分。第一部分主要介绍了设计中用到的一些模拟和数字电学知识，如电压比较器、积分器、差分放大器等。第二部分的主要内容是提出以下两种设计方案:第一种方案是基于单片集成芯片MAX038的函数信号发生器的设计，第二种方案是基于晶体管、运算放大器ic等的函数信号发生器的设计。分析比

4、较了这两种方案的优缺点，最终采用第二种方案完成函数信号发生器的设计。第三部分介绍了我的设计方案&基于晶体管、运算放大器IC等的函数信号发生器的设计。这是本文的核心。这部分讲述了性能指标、原理框图，以及如何通过参数计算来确定设计电路。文章的第四部分主要介绍了调试和安装的方法，并简要分析了设计中的失误。关键词:函数信号发生器；差分放大器；积分器摘要函数信号发生器是指能自动产生方波、正弦波、三角波等电压波形的仪器，它在实验和科学研究中得到广泛应用。本课题任务设计一个函数信号发生器，使其能够自动产生方波、三角波以及正弦波。本论文主要针对函数信号发生器进行阐述，它基本可以分为四个部分，第一部分主要是对一

5、些模块电学设计应用的电学方面的知识如电压比较器、积分器、差分放大器等进行简单的介绍；第二部分主要内容是提出了以下两种设计方案:第一种方案是基于单片机MAX038的函数信号发生器的设计，第二种方案是基于晶体管、运放等ic的函数信号发生器的设计，并对这两种方案的优缺点进行分析比较，最后确定采用第二种方案来完成函数信号发生器的设计。第三部分具体介绍了m y的设计方案基于晶体管、运放等功能信号发生器的IC设计，这是本文的核心，这部分讲述了性能指标、功能框图，以及如何通过参数计算来确定设计电路等几个方面的内容；文章第四部分主要介绍了调试安装方法，并对设计中出现的故障进行了简要分析。关键词:函数信号发生器

6、差分放大器积分器目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352349 摘要I HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352350 AbstractII HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352351 绪论1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352352 1函数信号发生器相关知识与基本原理2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352353 1.1电压比较器2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352354 1.1

7、.1简单电压比较器2 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352355 1.1.2滞回比较器3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352356 1.1.3窗口比较器3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352357 1.2方波发生器4 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352358 1.3积分器5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352359 1.4差分放大器6 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352360 1.4.1传输特性6 HYPE

8、RLINK l _RefHeading_Toc471352361 1.4.2共模特性7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352362 2函数发生器设计方案9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352363 2.1基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计9 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352364 2.2基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352365 2.2.1方波三角波产生电路10 HYPERLINK l _RefHeading

9、_Toc471352366 2.2.2三角波正弦波变换电路11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352367 3基于晶体管与运放IC函数信号发生器设计14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352368 3.1性能指标14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352369 3.2参数计算14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352370 3.3原理框图15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352371 3.4设计电路与工作原理15 HYPERLINK l _Re

10、fHeading_Toc471352372 3.4.1设计所用元器件15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352373 3.4.2电路与工作原理16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352374 3.5相关芯片介绍17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352375 3.5.1 uA747双电源通用型双运放17 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352376 3.5.2 LM78XX与LM79XX18 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352377 4安装与调试

11、20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352378 4.1设计与调试中使用的主要仪器和设备20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352379 4.2设计的装调20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352380 4.2.1方波三角波发生器的装调20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352381 4.2.2三角波正弦波变换电路的装调20 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352382 4.2.3自制电源的装调21 HYPERLINK l _RefHeading_

12、Toc471352383 4.3故障分析22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352384 4.3.1方波三角波发生器故障22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352385 4.3.2三角波正弦波发生器故障22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352386 4.3.3电源部分故障22 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352387 结论23 HYPERLINK l _RefHeading_Toc471352388 致25 HYPERLINK l _RefHeading_Toc47135

13、2389 参考文献26绪论信号发生器也叫信号源或振荡器，各种波形曲线都可以用三角函数方程表示。信号发生器按其信号波形可分为四类:正弦信号发生器、函数(波形)信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器。能够产生三角波、锯齿波、矩形波(包括方波)、正弦波等各种波形的电路称为函数信号发生器。在实验和一些科学研究中，锯齿波、正弦波、矩形波和三角波是常用的基本测试信号。例如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定的规律运动，并在屏幕上显示图像，经常使用锯齿波发生器作为时基电路。同样，三角波、方波和正弦波也起着重要的作用。比如示波器中常用方波作为标准信号来检验好坏。在实验中，经常用正弦波作为信号源来测

14、量放大器的放大倍数，观察波形的失真情况等等。函数信号发生器可以自动产生上述波形，可见函数信号发生器在电路实验和设备检测中的广泛应用。此外，函数信号发生器在其他领域也起着重要的作用。例如，在通信、广播和电视系统中，需要射频(高频)传输，其中射频波是载波。为了执行音频(低频)、视频信号或脉冲信号，需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域，如高频感应加热、熔化、淬火、超声波诊断、核磁共振成像等。需要功率更大或更小、频率更高或更低的振荡器。因此，研究函数发生器具有重要的意义，它是我们学习和科学研究不可缺少的工具。本课题的任务是设计一个函数信号发生器，可以自动产生方波、三角波和正弦波。频率

15、范围为1Hz-10Hz、10Hz-100Hz、100 Hz-1 kHz和1 kHz-10 kHz。在其多种设计方案中，本文选择集成运算放大器和晶体管差分放大器来实现平方函数信号发生器的设计。这种设计方案的基本思想是比较器、积分电路和反馈网络(包括电容元件)组成振荡器，其中比较器产生的方波被积分电路转换成三角波，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性，将三角波转换成正弦波。这个方案的好处在于，它是最基本的设计方案，综合运用我们所学的知识就可以设计出来。电路简单，价格低廉，工作原理直观明了，经过安装调试，基本可以实现课题的要求。1函数信号发生器的相关知识和

16、基本原理在函数信号发生器的设计中，会用到模拟电学和数字电学的很多知识。如电压比较器、积分器、差分放大器等。其中，函数发生器中电压比较器的作用主要是形成波形发生器，它可以和积分器一起形成方波发生器或三角波发生器。在函数信号发生器中，积分器主要用于形成三角波发生电路。函数信号发生器中带恒流源的差分放大器的作用是将三角波转换成正弦波。1.1电压比较器电压比较器的基本功能是比较两个电压的大小，通过输出电压的高低来表示两个输入电压的大小关系。函数发生器中电压比较器的作用主要是形成波形发生器。其基本原理是将信号电压Ui与参考电压UR进行比较，当Ui UR时，电压比较器正向饱和；当Ui UR时，电压比较器负

17、向饱和；当Ui=UR时，状态不确定。也就是说，当信号电压和参考电压的幅度相等时，输出状态跳变。一般来说，电压比较器可以分为简单电压比较器、窗口比较器、迟滞比较器等等。1.1.1简单电压比较器简单的电压比较器通常只包含一个运算放大器，大多数情况下，运算放大器工作在开环状态。它只有一个mosfet，所以也被称为单限比较器。UR施加于运算放大器的同相输入端，Ui是施加的基准电压。通用电压比较仪及其电压传输特性如图1-1所示:图1-1通用简易电压比较仪及其电压传输特性当UiUR时，运算放大器的输出电平为低，稳压器Dz正向导通，输出电压等于稳压器的正向导通电压UD，即Uo= -UD迟滞比较器在单限值比较

18、器中，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化都会导致输出电压跳变，无论这种微小变化是源输入信号还是外部干扰。所以单限比较仪虽然很灵敏，但抗干扰能力差。迟滞比较器具有迟滞特性，即惯性，因此具有一定的抗干扰能力。正反馈被引入迟滞比较器电路。磁滞比较仪及其电压传输特性如图1-2所示:a)电路b)电压传输特性图1-2磁滞比较仪及其电压传输特性该电路将电阻分压分支从输出端引导到非反相输入端。如果Uo改变状态，同相端的电位也会改变。当Uo为正时，U+=R2/(Rf +R2) Uo+，那么当Ui U+时，Uo将由正变负，同相输入端U+的电位变成-U+，-U+=R2/(Rf +R2) Uo-。所以只有Ui降到-

19、U+以下，Uo才能再次上升到Uo+，于是出现了图1-2(b)所示的迟滞特性。-U+和U+之间的差异称为反冲，反冲的大小可以通过改变R2的值来改变。窗口比较器单限比较器和滞环比较器输入电压单向变化时，输出电压只跳变一次，无法检测输入电压是否在两个给定电压之间，而窗口比较器有此功能。图1-3(a)所示为一个双限幅比较器，外部参考电压URHURL，电阻R1和R2与稳压器VDZ组成限幅电路。当输入电压ui大于URH时，必然大于URL，所以集成运算放大器A1的输出U01 =+UOM，A2的输出U02 =-UOM。二极管VD1导通，VD2关断，电流路径在图1-3中用实线标出。电压调节器VDZ工作在稳定状态

20、，输出电压u0=+UZ。当ui小于URL时，必然小于URH，所以A1 =-UOM的输出U01，A2 =+UOM的输出U02。因此，VD2导通，VD1截止，VDZ处于稳定电压状态，u0仍为+UZ。当URL UI ur h，u01= u02=-UOM，所以VD1和VD2都关断，稳压器关断，u0=0。URH和URL分别是比较器的两个阈值电压。如果URH和URL都大于零，则图1-3(a)所示电路的电压传输特性如图1-3(b)所示。a)电路图b)传输特性图1-3窗口比较器及其电压传输特性1.2方波发生器电压比较器的典型应用是方波发生器。方波发生器的电路如图1-4(a)所示。其中R1和RF形成正反馈支路，

21、运算放大器的同相端电压V+=(R1/R1+RF)V0，电阻R和电容C形成运算放大器的负反馈支路。当电容C的端电压VC(等于反相端电压V-)大于V+，输出电压V0= -VZ(双向稳压器DZ的极限电压)时，电容C通过电阻R放电，VC下降。当VC下降到小于V+时，比较器输出电压V 0 =+VZ，电容C被电阻R充电，电容端电压VC又开始上升。如果重复这一过程，输出电压v0就是一个周期性方波，如图1-4(b)所示。方波的频率可以用下面的公式表示:f0=1/T=1/2RCln (1+2R1/RF)，通过调节电位器RP可以改变频率。a)电路图b)输出波形图1-4方波发生器及其输出波形1.3集成商在函数信号发

22、生器中，积分器的主要作用是形成三角波发生电路。积分器的基本电路如图1-5(a)所示。如果ui选择阶跃信号，当t0时，输出电压uo的表达式为ui=0(t0)或ui=E(t0)，其中U0=-Et/RC为积分时间常数；最大输出电压uo受限于集成运算放大器的最大输出电压和输出电流，因此积分时间受限。为了限制电路的低频电压增益，反馈电容C可以与电阻RF并联。当输入频率大于f0= -1/(2RFC)时，电路为积分器。如果输入频率远低于f0。电路类似于逆变器，低频电压增益为AVF= -RF/R1。的实际积分器电路如图1-5(b)所示。如果输入是对称方波，积分器的输出是对称三角波，其波形关系如图1-5(c)所

23、示。a)电路图b)实际电路c)输出波形图1-5积分器及其输出波形1.4差分放大器恒流源差分放大器应用广泛。特别是在模拟集成电路中，经常用作输入级或中间放大级，它在函数信号发生器中的作用是产生正弦波，主要在非线性区。差分放大器电路如图1-6所示。其中T1和T2称为差分对管，常用5G921或BG319等双三极管，与电阻RB1、RB2、RC1、RC2、电位器RP一起构成差分放大器的基本电路。T3、T4和电阻RE3、RE4、R共同构成恒流源电路，为差分对管的发射极提供恒定电流I0。分压电阻R1和R2向差分放大器提供对称的差模输入信号。晶体管T1与T2、T3与T4的特性应相同，电路参数应完全对称，改变R

24、P可调电路的对称性。由于电路的对称结构和恒流源的作用，温度变化和电源的波动(称为共模信号)对T1和T2的影响是相同的。因此，差分放大器可以有效地抑制零点漂移。差分放大器的主要性能参数是传输特性、差模特性和共模特性。图1-6差分放大器电路1.4.1传输特性传输特性是指在差模信号输入下，集电极电流ic随差分放大器输入电压vid的变化规律。传输特性曲线如图1-7所示。从传输特性可以看出:当差模输入电压Vid=0时，两管集电极电流相等，IC1Q=IC2Q= I0/2，Q点称为静态工作点；当vid增大(25mV)时，iC1随vid线性增大，iC2随vid线性减小，IC1+IC2=I0的关系不变。vid的

25、这种变化称为线性放大区。当vid增加到T1的饱和区和T2的截止区(vid超过50mV)时，iC1的增加和iC2的减少逐渐缓慢。此时iC1和iC2随vid非线性变化，称为非线性区。增加发射极电阻可以加强电流负反馈，扩大线性区，缩小非线性区。当vid继续增大(大于100mV)，T1饱和，T2停止，iC1和iC2不再随vid变化，vid的这种变化称为限制区。差模传输特性也可以通过测量T1和T2的集电极电压vc1和vc2随差模电压vid的变化来测量。因为vc1=VCC- iC1RC1，如果+VCC和RC1确定，vc1的变化规律与-iC1相同。Vc(-)是晶体管关断时的电压，Vc(+)是晶体管饱和时的电

26、压。对应于静态工作点Q的电压是VCQ。当vid增加时，vc1随vid线性减少，vc2随vid线性增加。这种传输特性可以用来设置差分放大器的静态工作点，观察电路的对称性。图1-7差模传输特性曲线共模特性当一对共模信号(大小相等，极性相同)vic输入到差分放大器的两个输入端时，集电极电压vc1和vc2不会由于恒流源引起的vic的变化而同时增大或减小。如果电路参数完全对称，共模电压增益AVC0。因此，恒流源差分放大器具有很强的抑制共模信号影响的能力，如晶体管零点漂移、电源波动、温度变化等。共模抑制比(KCMR)通常用于表征差分放大器抑制共模信号的能力。KCMR越大，差分放大器对共模信号的抑制越强，放

27、大器的性能越好。共模抑制比KCMR的测量方法如下:差模电压增益AVD测量完成后，输入VIC = 500 mV，FI = 500 Hz的共模信号。如果电路的对称性非常好，那么Vc1=Vc20。当示波器观察vc1和vc2时，其波形类似于一条水平直线。如果电路的对称性不是很好，vc1和vc2的波形可能是一对大小相等极性相反的正弦波(原因是电路的参数不完全对称)。虽然电路参数并不完全对称，但由于AVC1，放大器的共模抑制比可以达到几十倍，仍然具有很强的抑制共模信号的能力。所以在要求不是很高的情况下，可以用固定电阻代替恒流源，T1和T2也可以用两个特性相近的晶体管，而不是一对晶体管，通过调整外部参数，使

28、电路尽可能对称。2函数发生器的设计方案函数发生器是能自动产生正弦波、方波、三角波等信号电压波形的电路或仪器。其设计方案一般有:基于单片集成芯片MAX038的函数信号发生器设计、基于专用直接数字合成DDS芯片的函数信号发生器设计、基于晶体管和运算放大器ic的函数信号发生器设计。本章介绍了基于单片集成芯片MAX038的函数信号发生器的设计和基于晶体管、运算放大器ic等的函数信号发生器的设计。将详细描述。2.1基于单片集成芯片MAX038的函数信号发生器设计MAX038是一款性能优异的集成函数发生器。可以单电源供电，也可以双电源供电。它们的值为5 15 V，我们选择15 V，频率可调范围为1 600

29、 kHz，输出矩形波的占空比为2% 98%。该方案的工作原理是:当函数发生器MAX038的电源接通时，电容C的电压为0 V，电压比较器I和II的输出电压均为低；因此，RS触发器的输出q为低电平和高电平；当电子开关S关断时，电流源IS1对电容充电，充电电流随时间线性增加。uc的上升导致RS触发器的R端从低电平跳到高电平，但其输出保持不变。直到uc上升到1/3 VCC，电压比较器I的输出电压跳变到高电平，Q变为高电平(同时)，导致电子开关S闭合，电容C开始放电。放电电流为IS2-IS1 = I，由于放电电流恒定，电容上的电压uc随时间增加。起初，虽然uc的下降导致RS触发器的S端从高电平跳到低电平

30、，但其输出保持不变。直到uc下降到1/3 vee，电压比较器II的输出电压跳变到低电平，Q变为低电平(同时为高电平)，使得电子开关S关断，电容C重新开始充电。重复上述过程后，电路产生自激振荡。因为充电电流等于放电电流，所以电容上的电压是对称的三角波形，q)是方波，由缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波到正弦波电路输出正弦波电压。从上面的分析可以看出，改变电容的充放电电流，也就是改变RA和RB的值，或者改变电容C的值，就改变了充放电时间，从而改变了它的频率。图2-1显示了MAX038最常见的连接。矩形波的输出端为集电极开路形式，需要一个外接电阻RL = 10 kHz到+VCC。图中，RA和RB可

31、以独立调整。通过改变RA和RB的值，可以改变矩形波的占空比。当Ra = Rb时，矩形波的占空比为50%，所以是方波。当RARB时，矩形波不再是方波，引脚2的输出也不再是正弦波。图2-1 ICL 8083的基本连接2.2基于晶体管、运算放大器IC等功能的信号发生器设计该方案包括两个电路，一个是方波-三角波产生电路，另一个是三角波正弦波转换电路。下面将分别介绍它们的电路和工作原理:2.2.1方波三角波产生电路方波-三角波产生电路如图2-2所示:图2-2方波-三角波产生电路图图2-2所示的电路可以自动产生方波-三角波。电路的工作原理是:如果A点断开，运算放大器A1和R1、R2和R3、RP1组成电压比

32、较器，R1称为平衡电阻，C1称为加速电容，可以加速比较器的翻转；运算放大器的反相端接参考电压，即V-=0，同相端接输入电压via；比较器输出v01的高电平等于正电源电压+VCC，低电平等于负电源电压。当V+=V-=0时，比较器翻转，输出v01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v01=+VCC，那么就可以得到V+的公式，也就是它的值。整理公式，通过比较器的-=-R2/(R3+RP1)VCC，得到较低的阈值电位。若V01=-VEE，则比较器的阈值电位上限为Via+=R2/(R3+RP1)VCC，则比较器的阈值宽度VH为VH= Via+-Via-=2R2/

33、(R3+RP1)VCC，因此比较器的电压传输特性可由上式得到，如图2-3所示。当A点断开时，运算放大器A2与R4、RP2、C2、R5组成一个反积分器，其输入信号为方波v01，因此积分器的输出为:当V01=+VCC，v02 =-VCC/(R4+RP2)C2t；当V01=-VEE，v02 = VCC/(R4+RP2) C2 t .可以看出，当积分器的输入为方波时，输出为上升率等于下降率的三角波，其波形关系如图2-3(b)所示:a)电压传输特性b)输出波形关系图2-3比较器的电压传输特性与输出波形的关系当A点闭合时，即比较器和积分器首尾相连形成闭环电路，那么就会自动产生一个方波-三角波。2.2.2三

34、角波正弦波转换电路三角形正弦波转换电路如图2-4所示:图2-4三角波正弦波转换电路图2-5三角波正弦波波形转换三角波到正弦波的转换电路选用差分放大器。波形变换的原理是:通过差分变换管的饱和和截止特性。分析可知，差分放大器的传输特性曲线ic1(或ic2)的表达式为:ic1=aiE1=aI0/(1+e-vid/VT)，其中A = IC/IE1；0是差分放大器的恒流；VT是温度的电压当量。室温25度时，VT26mV。如果vid是三角波，将其表达式代入ic1=aiE1=aI0/(1+e-vid/VT)，然后用计算机计算。ic1(t)或ic2(t)的打印曲线类似于正弦波，差分放大器的输出电压vc1(t)

35、和vc2(t)也类似于正弦波。波形转换过程如图2所示。为了使输出波形更接近正弦波，传输特性曲线应尽可能对称，线性区应尽可能窄。三角波的幅度v应该接近晶体管的截止电压。从上面的讨论中，可以看出:基于单片集成芯片MAX038设计函数信号发生器的优点:MAX038频率高，精度好，可以产生多种波形，可以达到更高的频率，易于调试，可以达到更高的技术指标。因此被称为高频精密函数信号发生器IC，MAX038是PLL、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路设计中的首选器件。晶体管、运算放大器IC等组成函数信号发生器的优点。:可以巩固我们之前学过的模拟电和数字电的知识。同时，选择差分放大器作为三角波到正弦波的

36、转换电路，可以帮助我们学习多电平电路的调试技术。除此之外，还可以锻炼我们的参数选择和电路布局的能力。因此，虽然设计了基于晶体管、运算放大器IC等的函数信号发生器。与基于单片集成芯片MAX038的函数信号发生器的设计相比，虽然有一些缺点，但仍能满足本设计的所有设计要求，并且比第一种方案更经济。同时，基于单片集成芯片MAX038的函数信号发生器的设计也存在缺陷。因为它的原理不容易解释清楚，晶体管，运算放大器IC等。用于函数信号发生器的设计。基于晶体管和运算放大器的IC函数信号发生器设计3.1绩效指标输出波形正弦波，方波和三角波。频率范围从1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz

37、，1KHz-10KHz，4个频段。特性正弦波特性的参数是非线性失真r，要求R 5%；表征三角波特性的参数是非线性系数R，要求R 2%；表征方波特性的参数是上升时间tr，要求tr30us。3.2参数计算在电子电路设计中，为了保证单元电路满足功能指标的要求，往往需要计算一些参数。上面指出了函数信号发生器的一些性能指标，所以为了满足这些要求，需要计算元件的参数。该设计的参数计算如下:比较器A1和积分器A2的元件参数计算如下:R2=10K，R3=20K，RP1=47K。平衡电阻R1 = R2 ( R3+RP1)10K从输出频率的表达式中当1Hzf10Hz时，C2=10uF，R4=5.1K，RP2=10

38、0K。当10Hzf100Hz时，采用C2=1uF实现频段转换，R4和RP2值不变。取平衡电阻R5=10K。同理，当100Hzf1KHz时，C2=0.1uF(即104)；当1KHzf10KHz时，取C2=0.01uF(即103)。三角正弦波电路的参数选择原则是:DC隔直电容C3、C4、C5要大一些，因为输出频率很低，所以C3=C4=C5=470uF，滤波电容C6的值取决于输出波形。如果有许多高次谐波成分，C6一般为数十皮法至0.1uF RE2=100与RP4=100并联，以减小差分放大器的线性区域。通过观察传输特性曲线，调整RP4和电阻R*可以确定差分放大器的静态工作点。通过以上计算，可以得出以

39、下结论:电位器RP2调节方波和三角波输出频率时，一般不影响输出波形的幅度。如果要求输出频率范围宽，可以用C2改变频率范围，用RP2实现频率微调。方波的输出幅度约等于电源电压+VCC。三角波的输出幅度不超过电源电压+VCC。电位器RP1可以微调幅度，但是会影响方波和三角波的频率。在三角波到正弦波的转换电路中，RP1调节三角波的幅度，RP2调节电路的对称性，并联电阻RE2用于减小差分放大器的线性区。C1、C2、C3是DC隔直电容，C4是滤波电容，用来滤除谐波成分，改善输出波形。3.3原理框图信号发生器的原理框图如图3-1所示:图3-1原理框图这种设计的基本思想是比较器、积分电路和反馈网络(包括电容

40、元件)组成振荡器，其中比较器产生的方波被积分电路转换成三角波，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性，将三角波转换成正弦波。3.4设计电路及工作原理3.4.1设计中使用的组件(1)差分放大电路中使用四个对称的双三极管3DG130。Single-layer七段变频分配器。变压器:输入电压220VAC，输出电压12VDC，额定工作电流600mA。整流桥:最大工作电流5A由四个IN4007组成，用于功率转换模块。7812 7912三端稳压器:用于电源转换模块。6一个芯片uA747，带有若干电阻和电容等。3.4.2电路和工作原理函数发生器的设计电路图如图3-2

41、所示，电源电路如图3-3所示。图3-2函数信号发生器设计电路图3-3电源电路工作原理如下:当电阻R2与芯片uA747的10脚断开时，其中一个运算放大器与R1、R2、R3、RP1组成电压比较器。运算放大器的反相端连接到参考电压，而非反相端连接到输入电压。比较器输出端的高电平，即芯片uA747的12脚输出V01，约等于电源电压。同时，断开后，另一个运算放大器与R4、RP2、C2和R5形成反积分器。输入的方波信号经过反积分器后，在其输出端即uA747的10脚输出一个上升率等于下降率的三角波。在本设计中，电阻R2与芯片uA747的10脚相连，即比较器和积分器首尾相连，形成闭环电路，从而可以自动产生方波

42、-三角波。三角波从10个管脚输出后，可以通过差分放大器进行转换，主要利用差分对管的饱和截止特性输出正弦波。该差分放大器由四个对称的3DG130差分对管、RB1、RB2、RC1、RC2、RP3、RP4和一些电容等组成。RP3调节三角波的幅度，RP4调节电路的对称性，一些并联电阻用于减小差分放大器。另外，图中显示了电源电路，为整个电路提供12v电压。其工作原理是变压器经过一个桥式电路(由四个IN4007组成)后，分为两路:一路接正稳压器LM7812输出+12v电压，一路接负稳压器LM7912输出-12v电压。这两条电路是对称的。3.5相关芯片介绍3.5.1 uA747双电源通用双路运算放大器UA7

43、47是一款高增益双通道运算放大器。两个运算放大器有公共的偏置和负电源引线，正电源引线分别为，工作时有独立的功能。其特点是无需外部频率补偿、短路保护、差模和共模输入电压范围宽、功耗低、使用中无阻塞现象，可用作积分器、求和放大器和共反馈放大器。或者相近或直接替代的型号有CF747MT、CF747CT、CF747MD、CF747CD、CF747MJ、CF747CJ、CF747CP、SG747等。UA747引脚封装如图3-4所示。每只脚的功能如下:(1)引脚1IN_是单元1的反相输入；foots 1IN+为单元1的同相输入；(3)脚1OA2是单元1的调零端；(4)脚V_为公共负电源端；5脚2OA2是单

44、元2的调零端；6引脚2IN_是单元2的反相输入；引脚2IN+是单元2的同相输入；被脚2OA1是单元2的调零端；脚2V+是单元2的正电源端；脚2OUT是单元2的输出；脚数控空；脚1OUT是单元1的输出；【13】脚1V+是1号单元的正电源端子；14脚1OA1是装置1的调零端。电源电压:uA747为22V，CF747C为18V。差模输入电压30V；共模输入电压15V；开环电压放大系数2105(一个单位，V0= 10V，rl2k；)功耗100mW；输入电阻2.0M；输出电阻器75。uA747的典型应用电路如图3-4所示。图3-4引脚封装图和典型电路3.5.2 LM78XX和LM79XXLM78XX称为

45、正电压调节器，三端正电压调节器如图3-5所示。当增加适当尺寸的散热器且整流器可以提供足够的输入电流时，电压调节器可以提供1.5A的输出电流。如果散热片散热不够，芯片中的热开关电路可以起到过流保护的作用。根据78XX系列中的XX，其输出调节值不同。比如7805可以提供+5V输出电压，7812可以提供+12V输出电压。在图1中，引脚1是输入端，引脚2是输出端，引脚3是接地端。图3-5三端电压调节器LM79XX称为负稳压器，结构与LM78XX相同。它可以提供多种DC负电压输出。同理，当加入合适尺寸的散热器，整流器能提供足够的输入电流时，稳压器同时能提供1.5A的输出电流，根据79XX系列中的XX，其

46、输出调节值是不同的。例如，7905可以提供-5V的输出电压，7912可以提供-12V的输出电压。与78XX系列不同，它的1脚是接地端，2脚是输出端，3脚是输入端。4安装和调试4.1设计和调试中使用的主要仪器设备使用的主要仪器和设备有:HG2040示波器:用于检测本设计的输出波形，并检测其峰峰值。MF47D万用表:在电路调试阶段，测试各部件的工作状态参数；在产品生产后期，用于测试整个电路的静态工作点。自制数字频率计；用于测试每个输出波形的频率。YB1731A2A DC稳压电源；自制电源未知时，用于提供12V DC稳压电源进行电路检测。4.2设计的安装和调整4.2.1方波三角波发生器的安装和调整因

47、为比较器A1和积分器A2设置了正反馈闭环，同时输出方波和三角波，所以这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，在安装电位器RP1和RP2之前，应将其调整到设计值，否则电路可能不会振动。如果接线正确，接通电源后，A1的输出v01为方波，A2的输出v02为三角波。微调RP1使三角波输出幅度满足设计要求，调节RP2使输出频率连续可变。4.2.2三角波正弦波转换电路的安装和调整三角正弦波转换电路的调试步骤如下:第一步:调试差分放大器的传输特性曲线。断开C4与RP3的连接，通过电容C4输入差模信号电压Vid=50MV，fi=100的正弦波。调整RP4和电阻R*使传输特性曲线对称。逐渐增加vid，直到传输

48、特性曲线的形状如图1-7所示，记下此时对应的峰值Vidm。去掉信号源，然后将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、VC1Q、VC2Q、VC3Q、VC4Q。它们的值计算如下:IC1Q= IC2Q = I0/2=0.565mA，VC1Q = VC2Q = VCC - IC1QRC1=6.35VVB1Q = VB2Q = ICRB1/=0.064V0V，VE1Q= VE2Q-0.7VVE3Q= VE4Q=- VEE-(- I0 RE3) =-9.74V，VB3Q= VB4Q= ICRE3/=0.018V0VVC4Q=- I0R*= -9.04V，VC3Q= -0.9V三角正弦波转换电路的调试

49、。将RP3与C4连接，调整RP3使三角波的输出幅度(RP3后输出)等于Vidm值。此时，V03的波形应接近正弦波，并调整C6以改善波形。如果V03的波形被几个正弦波扭曲，如图4-1所示，则应调整和修改电路参数。变形的原因及相应的处理措施如下:钟形失真:如图4-1(a)所示，传输特性曲线的线性区过宽，应减小RE2。半穹顶或平顶失真:如图4-1(b)所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q向上或向下，应调整电阻R*。非线性失真:如图4-1(c)所示，三角波线性度差引起的失真主要受运算放大器性能的影响。可以在输出端添加一个滤波器网络，以改善输出波形。a)钟形失真b)平顶失真c)非线性失真。图4-1几种正

50、弦波失真4.2.3自制电源的安装和调整测试电源部分时，先将其与其他电路断开，然后检查电路连接是否正确。如果接线正确，首先检查变压器和调压器是否工作正常。全部检查完毕，最后用万用表分压测试电压，看其电压是否为理论值。4.3故障分析4.3.1方波-三角波发生器故障(1)故障1:当方波-三角波发生器电路被测试时，在其输出端没有出现波形。一开始怀疑是芯片uA747有问题，但测试后发现可以正常工作，电路接线正确。最后发现电位器RP1和RP2有问题，因为只有两个都调到设计值，电路才能开始振动，也就是有波形输出。调整好两者后，示波器上有波形输出。(2)故障二:转动分路器旋钮，输出端波形无频率变化。发现分路器

51、的公共端没有连接到uA747的10脚，连接正确后可以改变频率。4.3.2三角波-正弦波发生器故障调试完差分放大器的传输特性曲线后，将RP3与C4连接，在其输出端观察到的波形如图所示，即发生了贝尔失真。理论上的原因是传输特性曲线的线性区域太宽，要降低RE2来调整，但RE2是一个定值，所以不是问题。调整RP3后，其输出波形接近正弦波，由于使用电容C6改善波形，怀疑其大小对波形有影响。从1uF变为0.1uF时，波形明显改善，钟形失真消失。电源部分故障电源唯一的部分故障是电压调节器7912的引脚与7812的引脚相同，导致接线错误。用万用表测试时，各部分电压值与理论基本一致，即电路正确。结论众所周知，函

52、数信号发生器有很多用途，在很多方面都有广泛的应用。作为通信专业毕业生，应该对其有深刻的了解，所以设计函数信号发生器意义重大。经过这次设计，我学到了很多东西，得到了很多宝贵的经验。我学会了函数信号发生器的多种不同设计方案，并详细掌握了它的工作原理。在本次设计中，我选择了一个比较符合自己设计的方案，就是用晶体管和运算放大器IC来设计函数信号发生器。该方案的优点是:电路设计原理简洁，所用元器件成本低，基本可以实现函数信号发生器的功能。同时也可以巩固我们之前学过的模拟和数字电学知识。另外用差分放大器作为三角波到正弦波的转换电路，可以帮助我们学习多电平电路的调试。除此之外，还可以锻炼我们的参数选择和电路布局的能力。其缺点是由分立元件组成的函数信号发生器不稳定，调试困难