函数发生器设计(精).ppt

1、第四讲 函数发生器设计一 、方波 - 三角波函数发生器设计,函数发生器能自动产生,方波 - 三角波-正弦波。,其电路组成框图如图3.4.1 所示.,图4.1 函数发生器组成框图,1、方波 - 三角波产生电路,电路图如图4.2所示：,比较器,积分器,C1称为加速电容 ，可加速比较器的翻转,R1称为平衡电阻,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) 。 当输入端V+ =V- =0 时，比较器翻转，V01从+Vcc跳到-Vee，或从-Vee跳到Vcc。,运放A1与R1、 R2 、

2、R3、 RP1组成电压比较器。,Via = 0,若Vo1 = -Vee, 则,比较器的上门限电位为,Via+ =,-R2,R3+RP1,(-Vee) =,R2,R3+RP1,(Vcc),设 V01= +Vcc, 则,R2 +R3 +RP1,(+Vcc),R2,+,R3+RP1,R2+R3+RP1,整理上式, 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(以下同),比较器的门限宽度VH为,VH = Via,+,Via = 2,R2,R3+RP1,Vcc,由上面公式可得比较器的电压 传输特性，如图4.

3、3 所示。,图4.3 比较器电压传输特性,从电压传输特性可见，当输 入电压Via从上门限电位Via+ 下降到下门限电位Via时， 输出电压Vo1由高电平+Vcc 突变到低电平-Vee。, 比较器的传输特性,Vo2 =,- (+Vcc) (R4+RP2)C2,t =,-Vcc (R4+RP2)C2,t,当Vo1= -Vee时，,Vo2 =,-(-Vee) (R4+RP2)C2,t =,Vcc (R4+RP2)C2,t,a点断开后，运算放大器A2与 R4、 RP2、 R5 、C2 组成反相积分器， 其输入信号为方波Vo1时，则积分 器的输出,Vo2 =,- 1 (R4+RP2)C2,当Vo1=+V

4、cc时，, Vo1dt,a点闭合，形成闭环 电路 ，则自动产生方 波-三角波，其波 形如图4.4 所示。,图4.4 方波三角波, 方 波-三角波的工作过程：,当比较器的门限 电 压为 Via+ 时 输出Vo1为高电平（+Vcc)。这时积分器开始反向积分，三角波 Vo2 线性下降。,当Vo2下降到比较器的下门限 电 位 Via 时，比较器翻转，输出Vo1由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分，Vo2线性增加。 如此反复，就可自动产生方 波-三角波。,三角波的幅度为：,Vo2m =,方波的幅度 略小于 +Vcc 和-Vee。, 方 波-三角波的幅度和频率,-1 (R4+RP1)C2,T 4,

5、0,Vo1 dt,=,-1 (R4+RP1)C2,T 4,实际上，三角波的幅度 也就是比较器的 门限电压Via+,Vo2m = Via+ =,R2 R3+RP1, Vcc =,-Vcc (R4+RP1)C2,T 4,Vo2m =,Vcc,方 波-三角波 的波频率为：, =,R3+RP1 4R2 (R4+RP2) C2,R2 R3+RP1,将上面两式整理可得三角波 的周期 T ， 而 F = 1 / T,三角波 的幅度为：,由此可见： 1、方波的幅度由+Vcc 和 Vee决定； 2、调节电位器RP1，可调节三角波 的幅度，但会影响其频率； 3、调节电位器RP2，可调节方 波-三角波 的频率，但不

6、会影 响 其幅度，可用 RP2实现频率微调，而用C2改变频率 范围。,二、单片集成电路函数发生器ICL8038,ICL8038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(或脉冲波)、三角波、正弦波。其内部组成如图3.4.7所示。,两个比较器A1、A2的基准电压2VCC/3、VCC/3由内部电阻分压网络提供。,触发器FF的输出端Q控制外接定时电容的充、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,产生三角波方波的工作原理与图4.2所示电路的工作原理基本相同。 ICL8038可以采用单电源(+10V+30V)供电，也可以采用双电源

7、(5V15V)供电。,由ICL8038组成的音频函数发生器如图4.8所示。电阻R1与电位器RP1用来确定脚的直流电位V8，通常取V82/3VCC。V8越高，IA、IB越小，输出频率越低，反之亦然。因此，ICL8038又称为压控振荡器(VCO)或频率调制器（FM)。RP1可调节的频率范围为20Hz20kHz。,图4.8 ICL8038组成的音频函数发生器,三、函数发生器的性能指标, 输出波形 正弦波、方 波、三角波, 频率范围 1Hz10Hz , 10Hz100Hz , 1001KHz , 1KHz10KHz , 10KHz100KHz , 100KHz1MHz., 输出电压 一般指输出波形的峰

8、-峰值，即 Vp-p = 2Vm., 波形 特性 表征正弦波特性的参数是非线性失真，一般要求 3%；表征三角波特性的参数是非线性系数， 一般要求2%；表征方波特性的参数是 上升时间 tr，一般要求 tr100ns(1kHz，最大输出时)。,四、设计举例,（1） 确定电路形式及元器件型号,例 设计一方 波-三角波-正弦波函数发生器。, 性能指示要求 频 率范围 1Hz10Hz, 10Hz100Hz; 输出电压 方波Vp-p24V，三角波Vp-p=8V，,正弦波Vp-p1V。,采用如图3.4.9所示电路，其中运算放大器A1与A2用一只双运放 A747，差分放大器采用本章第三节设计完成的晶体管单端输

9、入 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+VCC= +12V，VEE= 12V。,波形特性 方波tr1s(1kHz，最大输出时) 三角波2%，正弦波5%, 三角波-方 波-正弦波函数发生器实验电路,图4.9 三角波方波正弦波函数发生器实验电路,此处引脚标号为uA747芯片的，而实验中用741芯片，引脚号不同，插板时一定要注意。,（2）计算元件参数,比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下： 由式(4-8)得,当1Hzf10Hz时，取C2=10F，R4=5.1k，RP2=100k ； 当 10Hzf100Hz时，取C2=1F，以实现频率波段的转 换 ；R4及RP2

10、的取值不变。取平衡电阻R5=10k。,R,Vcc,R3+RP1,=,Vo2m,=,4,12,=,1,3,取R2=10k，取R3=20k, RP1=47k,平衡电阻R1= R2/(R3+RP1)10k 由输出频率的表达式(3-4-9)得,R4 + RP2 =,R3 + RP1 4 R2 C2 ,三角波正弦波电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3= C4= C5=470f，滤波电容C6的取值视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1F。RE2=100与RP4=100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

11、测传输特性 曲线、调整RP4及电阻R*来确定。,五、电路安装与调试技术 1、方 波-三角波发生器的装调,由于比较器A1与积分器A2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 位器RP1与RP2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，A1的输出vo1为方波 ，A2的输出vo2为三角波，在低频点时，微调RP1，使三角波的输 出幅度满足设计指标要求，再调节RP2，则输出频率连续可变。,3、误差分析, 方波输出电压Vp-p2VCC，是因为运放输出级由NPN型或 PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两 管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波 输出幅度小于电源电压值。, 方波的上升时间tr，主要受运放转换速率的限制。如果输出 频率较高，则可接入加速电容C1(C1一般为几十皮法)。可用示 波器(或脉冲示波器)测量tr。