函数波形发生器

1、 函数波形发生器的设计一、 验目的1、 学习函数波形发生器的设实计方法；2、 了解单片函数发生器ICL8038的工作原理及应用；3、 掌握函数波形发生器电路的调试及主要指标的测试方法；4、 研究函数波形发生器的设计方案。二、 实验原理在无线电通信，测量，自动化控制等技术领域广泛地应用着各种类型的信号发生器，常用的波形是正弦波，矩形波（方波）和锯齿拨。随着集成电路技术的发展，已有能力同时产生同频的方波，三角波和正弦波的专用集成电路，称为函数波形发生器，如ICL8038。1 函数波形发生器专用集成电路ICL8038就是一个函数波形发生器，其引出脚的排列及性能见附录一。典型应用电路如图5-2-1所示

2、。 ICL8038的内部原理见图5-2-2所示。 其基本工作原理如下。CS1和CS2是两个恒流源，它们和外接的定时电容C组成积分电路。电平比较器1和2以及双稳态触发器组成积分电路的控制电路。定时电容C上的三角波经缓冲级后由3脚输出。双稳态电路输出的方波经缓冲级后由9脚输出。三角波再经过一个正弦波变换器后边为正弦波由2脚输出。若要提高正弦波输出的带载能力，则可再外接一级跟随器。恒流源CS1与外接电容C固定连接在一起，而恒流源CS2则由双稳态电路控制的开关S来决定是否与电容C接通。若开关S断开，则只有CS1以电流I向电容C充电，电容C上的电压线性增大。当该电压上升到比较器1的阈值电平（电源电压的2

3、/3）时，双稳态电路翻转，S接通，此时，恒流源CS2以电流2I向电容C反向充电，由于同时还存在着CS1的作用，所以电容C将以电流I放电，电容C上的电压线形减小。当该电压下降到比较器2的阈值电平(电源电压的1/3)时，双稳态电路复位，S断开，仅剩下CS1向电容C充电。如此反复，从而形成振荡。由上述可见，只有当恒流源CS1=I，CS2=2I时，电容C的充、放电时间常数才相等，这时输出的三种波形均对称。不然，三角波将变为锯齿波，方波将变为矩形波(占空比50%),正弦波将严重失真。电流源CS1和CS2的大小分别决定于外接电阻，即图5-2-1中的R4和R5。只有当R4=R5时才有CS1=I和CS2=2I

4、，才能获得对称的三角波，方波和正弦波。电位器Rw4=1k是用来调整输出波形的对称性，调整Rw2和Rw3可改善正弦波的失真。ICL8038的输出频率是8脚上电压的函数，即它是一个压控震荡器。当8脚与7脚（扫频偏置电压-2.8V）相连时，输出频率是固定，若4，5脚的外接电阻相等均为R，则输出频率f=0.3/RC （5-2-1）当8脚与一个连续可调的直流电压相连时，则输出频率连续可调。当此电压为最小值（近似为零）时，频率可达到很低。当此电压为最大时，频率最高，并且改变定时电容C的大小可改变最高输出频率。此连续可调电压由-12V电源电压经电阻R1和电位器Rw1分压取得。而ICL8038的控制电压有效有

5、效作用范围是0 -3V，为此，选择适当的R1以保证最大控制电压为-3V左右。通常为保证调整的准确性，各电位器一般选择小型多圈式电位器。2 锯齿波，矩形波产生电路如图5-2-3所示，这部分电路是由运放IC2构成的比较电路和由运放IC3构成的积分电路所组成。积分比较器后跟一级由运放IC4构成的跟随器，用以提高其带载能力。当Rw6=0时，积分电容C6的充放电时间常数T2和T1相同，此时积分电路输出为三角波，比较电路输出为方波（占空比为50%），随Rw6增大，积分电容C6的充电时间常数，即三角波的逆程时间T2增大（三角波的负斜率减小），于是原三角波变为锯齿波，原方波变为矩形波，如图5-2-4所示。 由

6、图5-2-3可见，调节Rw6可改变T2及锯齿波周期T的大小（积分电容C6的放电时间常数T1与Rw6无关），相当于改变锯齿波的负斜率。矩形波的占空比以及它们的频率。调节Rw2即可改变锯齿波的输出幅度，同时因改变了加于运放IC2同相输入端电压，故又改变了T1,T2和T的大小。调节Rw5可改变运放IC2,IC3和IC4输出端的直流电平。可以证明：若矩形波输出的峰-峰值为Vp-p1,Rw7滑动点上半部分值,下半部分的值为,则锯齿波的峰-峰值Vp-p2为5-2-2 5-2-35-2-4T=T1+T25-2-53 设计思路技术指标a. 能输出频率f=2kHz20kHz并连续可调的正弦波，三角波和方波。正弦

7、波：峰-峰值 Vp-p3V, 非线形失真系数 5%b. 能输出频率f=20kHz500kHz并连续可调的锯齿波和矩形波矩形波：Vp-p3V ,负斜率连续可调.c. 能输出扫频波。元器件参数确定根据技术指标a中对函数波形发生器最高工作频率f=20kHz的要求，定时电容C3可由（5-2-1）式求得C3=0.3/f(R4+0.5Rw3)=0.029F取标称值C3=0.022F，其标称值代码为223。根据技术指标b中对矩形波峰-峰值Vp-p=12V要求，选用稳定电压Vz=6V的bV2二只构成双向限幅器。有A741的最大输出电压约为（Vcc-1.5V）可得IC2b脚输出电阻为Vb=10.5V(Vcc=1

8、2V).bV2的稳定电流Iz5mA，故限流取标称值750或820均可。根据锯齿波斜率连续可调的要求，二极管D1和D2在电路中的极性如图5-2-3所示，可选用一般的开关二极管IN4148.根据ICL8038控制电压的有效作用范围0 -3V，应调节Rw7使锯齿波的峰-峰值Vp-p23V，调节Rw5使IC3输出端的直流电平近似等于-1.5V。根据Vp-p1=12V,Vp-p2=3V,由5-2-2式求得当Rw6=0时，锯齿波的频率最高，且T1=T2=T/2.根据对锯齿波最高频率500Hz（即T=1/500）的要求，可知T1=1/1000.由5-2-3式求得积分电路中的电阻R12若取值过大，运放输入电流

9、的影响将不可忽视；反之取值太小，流过积分电容C6的电流会超出运放的输出能力，故在此取R12=10k,则 C6=0.2F取标称值C6=0.15F,代码为154作偏置用的电位器Rw5和作分压用的电位器Rw7一般为几十k几百k，在此取 Rw5=20k,Rw7=100k总电路图设计举例参考图见图5-2-5，当开关k打到2位时，ICL8038输出的是扫频信号。一般选正弦型的扫频信号用。Rw8=100k是用来改善低频端波形的对称性。 安装与调试通常，安装在面包板上进行。如果考虑到可靠性要求，可采用印制板走线方式，进行焊接，布线与走线要求详情可参考有关书籍。为了便于检查，一般采取分块方式，即每个单元（常以集

10、成电路的中心分）相对集中，各单元间界限明确。这样，对调试电路大有好处，因为我们常用也是以单元为中心调试，每级都调好，再连起总调。调试前先应从外观上检查有无明显的走线错误，元器件型号与电路图是否一致，电容，电阻标称值与要求是否一致等。a. 将k置于1，将整个电路分成函数波形发生器部分和锯齿波，矩形波发生器部分。函数波形发生器首先，观察有无输出波形。若有，调各电位器，使输出符合设计要求。应注意，有振荡波形时，先改变Rw1使频率调至约1kHz（工作带宽的一半），再将正弦波波形调好，最后波形从低频到高频变化，对称不好时调Rw4或Rw8。若无波形产生，则要先测量ICL8038的各脚，看是否与设计相吻合。

11、找出故障所在之处，建议调试前一定要熟悉原理，这样可以少走弯路。锯齿波，矩形波发生器观察电位，调Rw5使IC2 9脚直流电位为零，则8脚应有波形。调节Rw7使锯齿波的输出峰-峰值为3V。改变Rw6，其频率变化范围应符合技术指标，否则调整积分电容C的大小。都正常后，改变Rw5使IC3 7脚输出电平为负，约为-1.5V，或者看波形直流分量时，波形最高点电压值为零。若无波形，则测量各级和运放各脚电位，分析判断故障所在之处。b. 将锯齿波频率条到调到最低，k置2，观察扫频波。正常的扫频波，频率应连续变化，周期无间断。若有，可适当调节Rw5和Rw7，范围不可太大。即可。注意，用示波器观察波形时输入选择方式

12、一律选择DC方式，以波形损耗造成错误结果。三、 设计任务 技术要求：输入正弦波，方波，三角波频率为2kHz20kHz并连续可调正弦波输出的峰-峰值Up-p3V,非线形失真系数5%输出矩形波，锯齿波频率为20kHz500kHz并连续可调矩形波的Up-p12V锯齿波的Up-p3V，负斜率连续可调输出扫频波用12V电源供电四、 调试要点1 对电路进行最后一次检查，主要是各器件型号与位置应正确，正负电源线不应错误，电解电容器极性不能接反，高电位接上，低电位接负。2 将k置1，电路分成两部分分别调试。3 正确连接正负电源端，最好电路板上作标记，以防接错，电压为12V。4 接通电源，静观几分钟，无异常，即

13、进入调试。5 全部调试完成后，测量各项指标，应符合技术指标，最后将每段电位和相应波形记录下来，作为正确结果，写入报告。五、 设计报告要求1 设计技术指标2 说明函数波形发生器和矩形波，锯齿波发生器的组成及工作原理，并绘出原理框图。3 主要电路的设计计算和元器件选择4 各项测量数据及技术指标的实测结果。5 拟订调试步骤。6 画出实际电路图。7 讨论与分析。就主要故障进行分析，并能回答思考题。六、 思考题1 如何适当提高正弦波输出的电压幅度和带载能力？2 如果要求函数波形发生器输出信号的频率为0.1Hz20kHz，则应如何设计？七、 主要仪器及器件1 主要仪器设备双踪示波器 一台 双路直流稳压电源

14、 一台*数字万用表 一块* 失真度测量仪 一台实验板 一块2 主要元器件ICL8038 一片LM324 一片或选用A741 4片6V温压管bV2 3只开关二极管IN4148 2只各阻值多圈电位器 10只电阻，电容，导线 若干*注：也可以不要，用示波器代替，人眼观察即可。八 总结 设计电路的优点缺点优点:此系统中的元件 部分属于高精度电器元件，使德系统灵敏度很高，（但对电路中的各个连接部分参数精度也有很高的要求） 同时温度的测量范围也很大缺点：电路中，元器件的过多，过于繁杂，使得电路容易出现电路故障，如短路、断路等 并且不容易检测出来。电路中多种元器件已是由复杂电路所组成的成品 市场价格高收获心

15、得：在已经掌握的有关数字电子技术与模拟电子技术的基础上，对其又有了更进一步的了解。在通过对电路元器件的拼装与搭建中，更好的了解了 二极管，集成运放，多谐振荡器等元件工作原理的了解九.参考文献 1.模拟电子技术基础实验与课程设计 主编 李万臣 副主编 谢红 哈尔滨工程大学出版社2.模拟电子技术仿真与实验 编著 徐瑞萍 谢松云 李会方 张晓毅 西北工业大学出版社 3.模拟电子技术基础 主编 华成英 童诗白 清华大学电子学教研组 高等教育出版社4.电子产品调修常用仪表应用手册. 韩广兴 编著. 北京：中国电力出版社.2004.第139-145页.8.4 函数信号发生器 字体 大 中 小函数信号发生器

16、是一种多波形的信号源。它能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波及脉冲波等多种波形的信号，有的函数信号发生器还具有调制的功能，可以产生调幅、调频、调相及脉宽调制等信号。 函数信号发生器可以用于科研生产、测试、仪器维修和实验室; 所以它是一种多功能的通用信号源。 8.4.1 函数信号发生器的基本结构 函数信号发生器为了产生各种输出波形，利用各种电路通过函数变换实现波形之间的转换。图8-6为函数信号发生器的原理图。它由双稳态触发电路、积分电路和两个电压比较器组成方波和三角波振荡电路，然后用二极管整形电路转换成正弦波，它的工作原理如下。 1.方波、三角波产生电路 图8-6 函数发生器原理图这种电路由双稳态

17、触发电路产生方法，经积分电路将方波变换成三角波。双稳态触发电路和积分电路都由正负电源供电，双稳态电路的输出为+E或-E。假定仪器开始工作时，双稳态角落电路左边A点为高电位E，右边B点为低电位-E。此时积分电路输入电压为 -E，输出端D点电压将随时间成正比地上升，上升速度 (斜率) 决定于输入电压-E，分压电阻R1，R2和时间常数RC。当经过时间T1，uD上升到+Um时，电压比较器 (I)输出一个触发脉冲，使双稳电路翻转，A点成为低电位-E，B点成为高电位E。此时积分电路输入电压为E，输出电压uD将以同样速度随时间成正比下降。当经过时间T2，uD下降到 -Um时，电压比较器 () 有输出，使双稳

18、电路翻转回去，完成一个循环周期。A点成为高电位，B点成为低电位，又开始下一个循环。如此不断循环产生振荡，只要在负电源 (E)和正负比较电平 (Um) 绝对值各自相等，在A点和B点就将得到极性相反的对称方波信号，D点将得到对称的三角波信号。它们的波形图如图8-7 (a) 所示。其振荡频率等于 可见，换接电容C或者用电位器调节电阻R可以调节输出信号频率。改变电阻R2也可以调节振荡频率，因此，如果用由一个电压控制的可变电阻 (例如场效应管等) 代替电阻 R2，就可以用电压来控制振荡频率(称压控振荡器)。 函数信号发生器还可用以产生矩形脉冲和锯齿波，这时只要在电阻R上并联一个二极管 (见图8-6虚线)

19、。当B点电压为正 (+E) 时，二极管导通，其正向电阻很小，积分电阻(R+R) 中的R被它短路而变为R(RR)， 积分输出电压很快下降， 当下降到-Um 时，触发电路翻转，B点电压成为-E，此时二极管截止，积分电阻又回到R+R，积分输出缓慢上升，形成正向锯齿波，波形如图8-7 (b) 所示。如果二极管接法相反，则产生反向锯齿波。这样在A点和B点就可以得到极性相反的矩形脉冲，在D点得到锯齿波信号。 图8-7 函数发生器波形图 (a) A、B、F波形图; (b) A、B、D波形图2.正弦波转换电路 将三角波转换为正弦波的电路种类很多。利用低通滤波器滤除三角波中的高次谐波，就能把三角波变换成正弦波。

20、因此，低通滤波器也是一种线性函数变换网络。滤波法虽然简单，但不适用于宽的频率范围。函数信号发生器中常用二极管整形网络来将三角波转换为正弦波。其原理电路如图8-8所示。 图8-8 二极管整形网络二极管整形网络是用分段折线逼近的办法来实现三角波向正弦派出所转换。我们知道，数学上任何一条曲线，都可以用不同斜率的若干直线段来近似模拟，正弦波也可以看成由许多斜率不同的直线段所组成，只要直线段尽量多，其近似程度就是足够好的。如图8-9所示的波形式u0。波形中的每一直线段可由三角波经不同分压系数的电阻分压而得。二极管整形网络实际上就是一个由输入三角波电压控制的可变分压器，输入的三角波ui通过分压网络，控制这

21、个网络使在输出电压不同时有不同的分压系数，便可输出近似的正弦波。 图8-9 正弦波的折线近似8.4.2 函数信号发生器的特点和应用 一、函数信号发生器与任意波形发生器 信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又分为模拟方式和数字合成方式。数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比 (S/N) 均优于模拟信号发生器，其锁相环 (PLL) 的设计使输出信号不仅使频率精准，而且相位抖动 (phase Jitter) 及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。 模拟

22、式函数信号发生器的电路结构如图8-10所示。 图8-10 模拟式函数信号发生器的电路方框图这是通用模拟式函数信号发生器的结构，是以三角波产生电路为基础，经二极管所构成的正弦波整形电路产生正弦波，同时经由比较器构成的电路产生方波。 如果以恒流源对电容充电，即可产生正斜率的斜波。同理，若以恒流源将储存在电容上的电荷放电，即产生负斜率的斜波，电路结构见图8-11。 当I1I2时， 即可产生对称的三角波， 如果I1I2， 此时， 即产生负斜率的锯齿波，同理， I1I2即产生正斜率锯齿波。 再如图8-11所示，开关SW的选择即可让充电速度呈倍数改变，也就是改变信号的频率，这也就是信号源面板上频率挡的选择

23、开关。同样，同步地改变I1及I2，也可以改变频率，这也就是信号源上调整频率的电位器，只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。而在占空比调整上的设计有下列两种思路。 (1) 频率 (周期) 不变，脉宽改变，其方法如图8-12所示。改变电平的幅度，即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性，但其最主要的缺点是占空比一般无法调到20%以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动，如果要将此信号用来作 A/D转换，那么得到的数字信号就发生变动而无法控制。但不容否认的是，在使用上将比较好调。 图8-11 三角波产生电路(2) 占空比变化，频率跟着改变，其

24、方法如图8-13所示。 图8-12 脉冲调整方式8-13 占空比调整电路将方波产生电路比较器的参考幅度固定 (正、负可利用电路予以切换)，改变充放电斜率，即可占空比调整电路。 这种方式的设计主要问题是 “难调”，这是最大的缺点，但它可以产生10%以下的占空比却是在采样时的必备条件。 以上的两种占空比调整电路设计思路各有优缺点。 对于功率放大器的设计。首先是利用运算放大器 (OP) ，再利用推拉式 (push-pull) 放大器 (注意交越失真Cross-distortion的预防) 将信号送到衰减网路，这部分牵涉到信号源输出信号的指标，包含信噪比、方波上升时间及信号源的频率响应，好的信号源当然

25、是正弦波信噪比高、方波上升时间快、三角波线性度好，同时伏频特性也要好 (也即频率上升，信号不能衰减或不能减太大)，这部分电路较为复杂，尤其在高频时除利用电容作频率补偿外，也牵涉到PC板的布线方式。 PA信号出来后，经过型的电阻式衰减网路，分别衰减10倍 (20dB) 或100倍 (40dB)，最后即可输出信号。 一台功能较强的函数波形发生器，还有扫频、VCG、TTL、TRIG、GATE及频率计等功能。 (1) 扫频。一般分成线性 (Lin) 及对数 (Log) 扫频; (2) VCG。即一般的FM，输入一音频信号，即可与信号源本身的信号产生频率调制; (3) TTL同步输出。将方波经三极管电路

26、转成0(Low)、5V (High) 的TTL信号即可。但注意这样的TTL信号须再经过缓冲门 (buffer) 后才能输出，以增加扇出数 (Fan Out)，通常有时还并联几个缓冲器buffer。而TTL INV则只要加个与非门NOT Gate即可; (4) TRIG功能。类似One Shot功能，输入一个TTL信号，则可让信号源产生一个周期的信号输出。 (5) Gate功能。即输入一个TTL信号，让信号源在输入为Hi时，产生波形输出，直到输入为LOW时，图8-11SW接地而关掉信号源输出; (6) 频率计。除市场上简易的刻度盘显示之外，无论是LED数码管或LCD液晶显示频率，其与频率计电路是

27、重叠的，其结构如图8-14所示。 图8-14 频率计数电路二、任意波形发生器应用 任意波形发生器是信号源的一种，它具有信号源所有的特点。一般信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号 (各种波形)，然后用其他仪表测量电路相关的参数。可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数，而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。 信号源有很多种，包括正弦波信号源，函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。任意波形发生器是一种特殊的信号源，综合具有其他信号源波形生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。 (1) 函数功能。函数信号源是使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫描功能，在基础实验中 (如大学电子实验室、科研机构研究实验室、工厂开发实验室等)，新设计的电路需要验证其可靠性与稳定性，就需要给它施加理想中的波形以验证其性能。如我们可使用信号源的DC补偿功能对固态电路控制DC偏压电平; 我们可对一个疑似有故障的数字电路，利用信号源的方波输出作为数字电路的时钟，同时，使用