函数信号发生器的设计与制作

函数信号发生器的设计、和装配实习一．设计制作要求：掌握方波一三角波一正弦波函数发生器的设计方法和测试技术。

学会由分立器件和集成电路组成的多级电子电路小系统的布线方法。

掌握安装、焊接和调试电路的技能。

掌握在装配过程中可能发生的故障进行维修的基本方法。

二．方波一三角波一正弦波函数发生器设计要求函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。

其电路中使用的器件可以是分立器件，也可以是集成电路(如单片集成电路函数发生器ICL8038)。

本次电子工艺实习，主要介绍由集成运算放大器和晶体管差分放大器组成的方波一三角波一正弦波函数信号发生器的设计和制作方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种：1：如先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波。

2：先产生三角波一方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。

33：本次电路设计，则采用的图1函数发生器组成框图是先产生方波一三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。

此钟方法的电路组成框图。

如图1所示：可见，它主要由：电压比较器、积分器和差分放大器等三部分构成。

为了使大家能较快地进入设计和制做状态，节省时间，在此，重新复习电压比较器、积分器和差分放大器的基本构成和工作原理：，并判所谓比较器，是一种用来比较输入信号v1和参考电压VREF断出其中哪个大，在输出端显示出比较结果的电路。

在《电子技术基础》一书的9.4—非正弦波信号产生电路的9.4.1中，专门讲述了： A：单门限电压比较器、B：过零比较器 C：迟滞比较器的电路结构和工作原理。

一、单门限电压比较器所谓单门限电压比较器，是指比较器的输入端只有一个门限电压。

如果比较器的输入信号从运放的同相端输入，则称为：同相输入单门限电压比较器。

如果比较器的输入信号从运放的反相端输入，则称为：反相输入单门限电压比较器它们的基本电路结构相同，如图2a所示，不同的是输入信号的接法。

在图2a所示的比较器基本电路中，我们可知：参考电压REF加于运放的反相端，它可以是正值，也可以是负值（也可以从同相端加入），图中给出的为正值。

而输入信号υ1则加于运放的同相端（也可以从反相端加入）。

由此可见，它是同相输入单门限电压比较器。

这时，运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。

电路的传输特性如图2b所示。

电路的工作过程是：当输入信号电压υ1小于参考电压VREF时，即差模输入电压υID=υ1一VREF < 0时，运放将处于负饱和状态，输出电压υo= VoL;当输入信号电压υ1升高到略大于参考电压VREF时，即差模输入电压υID =υ1一VREF > O，运放立即转于正饱和状态，输出电压uo =VoH，如图的实线所示，它表示υ1在参考电压VREF附近有微小的减小时，输出电压将从正的饱和值VoH过渡到负的饱和值VoL。

若有微小的增加，输出电压又将从负的饱和值VoL过渡到正的饱和值VoH。

把比较器输出电压uo从一个电平跳变到另一个电平时相应的输人电压υ1值称为门限电压或阈值电压Vth，对于图2所示电路，Vth = VREF。

反相输入单门限电压比较器的工作原理和之相同。

其相应传输特性如图2b 中的虚线所示。

二、过零比较器所谓过零比较器是指将参考电压设为零，即VREF = O，它的基本电路结构如图3a所示：其传输特性如图3 b所示由过零比较器的基本电路可知，输入信号电压υ1每次过零时，输出电压就要产生突然的变化。

这种比较器就称为过零比较器。

其具体的工作过程：见“EWB过零比较器”当输入信号为正弦波时，每过零一次，比较器的输出端将产生一次电压跳变，其正、负向幅度均受供电电源的限制。

因此，输出电压波形将为具有正负极性的方波。

若使方波电压经由RC微分电路(这时电路的时间常数RC 《 T/2，T为输入正弦信号周期》输出，那么输出电压就将为一系列的正、负相间的尖顶脉冲，如果输出的正负向尖顶脉冲，又经二极管D接到负载电阻RL上，则因二极管的单向导电作用，负载上就只剩下正向的尖顶脉冲，其时间间隔等于输入正弦波周期T，如图9.4.2f所示。

这里，二极管把负向尖顶脉冲削去了，称为削波或限幅，二极管D和RL构成限幅电路。

三、迟滞比较器单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。

例如，单门限电压比较器，当输入信号电压υ1中含有噪声或干扰电压时，由于在υ1=Vth=VREF附近出现干扰，输出电压υo将时而为VoH，时而为VoL，导致比较器输出不稳定。

如果用这个输出电压υo去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。

提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。

(1)电路组成顾名思义，迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。

它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，如图4所示：就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器{又叫施密特触发器(Schmitt Trigger)}。

如将υ1和VREF位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。

由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压uo的变化而改变的。

它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。

(2)门限电压的估算由于比较器中的运放处于正反馈状态，因此一般情况下，输出电压υo和输人电压υ1不成线性关系，只有在输出电压υo发生跳变瞬间，集成运放两个输入之间的电压才可以近似认为等于零，即υID≈0或υp≈υN=υ1是输出电压υo转换的临界条件。

当输入电压υ1 >υp（门限电压）时，输出电压υo为低电平Vol。

当输入电压υ1 <υp时，输出电压υo为高电平VoH。

一．积分器二．差分放大器1）．方波一三角波产生电路方波一三角波信号产生的基本电路如图2所示。

图2 产生方波一三角波信号的基本电路电路工作原理如下:若a点断开，运算放大器A1和R1、R2及R3、RP1组成同相输入迟滞比较器，R1称为平衡电阻，R3、RP1为正反馈元件，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转: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 。

当比较器的V+ = V- = 0时，比较器翻转，输出信号Vo1则从高电平+Vcc 跳到低电平-VEE ，或从低电平-VEE 跳到高电平+Vcc 。

设v o1＝＋Vcc ，则：V +=1322RP R R R ++(+Vcc)+13213RP R R RP R +++ Via = 0 式1 式中，RP 1指电位器的调整值（以下同），将上式整理，得比较器翻转的下门限电位V ia- = 132RP R R +-(+Vcc) = 132RP R R +-Vcc 式2 若v o1= -V EE ，则比较器翻转的上门限电位 V ia+ = 132RP R R +-(-V EE ) = 132RP R R +Vcc 式3 比较器的门限宽度V H 为 V H = V ia+ －V ia- = 2。

132RP R R +Vcc 式4 由式1－式4可得比较器的电压传输特性，如图3所示图3 比较器电压传输特性 图4方波－三角波（见EWB 电压比较器）a 点断开后，运放A 2和R 4、RP 2、C 2及R 5组成反相积分器，其输入信号为方波V 01 ,则积分器的输出ν02＝224)(1C RP R +-⎰dt 01ν 式5 当ν01＝＋Vcc 时ν02＝224)()(C RP R V EE ++-t = 224)(C RP R V cc +-t 式6 当v 01＝－Vcc 时ν02＝224)()(C RP R V EE +--t = 224)(C RP R V cc +t 式7 可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率和下降速率相等的三角波，其波形关系如图4所示（见EWB 积分器）如果把电压比较器和积分器首尾相连，形成一个闭环电路，则该电路就能够自动产生方波－三角波。

（见EWB HSXHFSQ ）三角波的幅度V 02m =132RP R R +Vcc 式8 方波－三角波的频率f =224213)(4C RP R R RP R ++ 式9 由此可得出以下结论：① 电位器RP 2在调整方波－三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度，若要求输出频率范围较宽，可用C 2改变频率的范围，RP 2实现频率微调。

② 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RP 1可实现幅度微调，但会影响方波－三角波的频率。

2．三角波 正弦波变换电路为学习多级电路的调试技术，我们将选用差分放大器作为三角波- 正弦波的变换电路，波形变换的原理是：利用差分对管的饱和和截止特性进行变换，分析表明，差分放大器的传输特性曲线i c1 （或i c2）的表达式为i C1= 1E i α= VT vid e I /01-+α 式10式中α＝Ic ／I E ≈1；Io 为差分放大器的恒定电流；V T 为温度的电压当量，当室温为25℃ 时，V T ≈26mV 。

如果v id 为三角波，设表达式id v =⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧---)43(4)4(4T t tVm T t T Vm 式11 式中，Vm 为三角波的幅度；T 为三角波的周期。

将式11代入式10，则⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧++=---)43(4)4(40101)(1T t VT Vm T t VT Vm T T e I e I t iC αα 式12 用计算机对式12进行计算，打印输出的i c1(t) 或i c2(t) 曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压i c1(t)、i c2(t)亦近似于正弦波，波形变换过程如图5示为使输出波形更接近正弦波，要求：① 传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄；② 三角波的幅值Vm 就接近晶体管的截止电压值。

图5 三角波 正弦波变换图6为三角波 正弦波的变换电路，其中，RP 1调节三角波的幅度，RP 2调整电路的对称性，并联电阻R E2用来减小差分放大器的线性区。

C 1、C 2、C 3为隔直电容，C 4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

图6 三角波——正弦波变换电路三、函数发生器的性能指标●输出波形正弦波、方波、三角波等●频率范围频率范围一般分为若干波段：如1HZ－10HZ，10HZ－100HZ，100HZ－1KHZ，1KHZ－10KHZ，10KHZ－100KHZ，100KHZ－1MHZ等6个波段。

●输出电压一般指输出波形的峰值，即V P-P =2Vm。

●波形特性表征正弦波特性的参数是非线性失真γ－，一般要求γ－< 3%；表征三角波特性的参数是非线性系数γ△，一般要求γ△< 2%；表征方波特性的参数是上升时间t r，一般要求t r< 100ns(1KHZ,最大输出时)。