函數發生器

函數發生器有很寬的頻率範圍，使用範圍很廣，它是一種不可缺少的通用信號源。可以用於生產測試、儀器維修和實驗室，還廣泛使用在其它科技領域，如醫學、教育、化學、通訊、地球物理學、工業控制、軍事和宇航等。

設計一個函數發生器使得能夠產生方波、三角波、正弦波。

頻率範圍10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz

頻率控制方式通過改變RC時間常數手控信號頻率

通過改變控制電壓Uc實現壓控頻率VCF

輸出電壓正弦波Upp≈3V幅度連續可調;

三角波Upp≈5V幅度連續可調;

方波Upp≈14V幅度連續可調.

波形特性方波上升時間小於2s；

三角波非線性失真小於1%；

正弦波諧波失真小於3%。

（1）根據技術指標要求及實驗室條件自選方案設計出原理電路圖，分析工作原理，計算元件參數。

（2）列出所有元、器件清單報實驗室備件。

（3）安裝調試所設計的電路，使之達到設計要求。

（4）記錄實驗結果。

1、函數發生器的組成

函數發生器一般是指能自動產生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以採用由運放及分離元件構成；也可以採用單片集成函數發生器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數發生器的方法。

（一）方案一：三角波變換成正弦波

由運算放大器單路及分立元件構成，方波——三角波——正弦波函數發生器電路組成如圖1所示，由於技術難點在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細介紹三角波到正弦波的變換。

1。利用差分放大電路實現三角波——正弦波的變換

波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖2所示。由圖可以看出，傳輸特性曲線越對稱，線性區域越窄越好；三角波的幅度Uim應正好使晶體接近飽和區域或者截至區域。方案一：用差分放大電路實現三角波到正弦波以及集成運放組成的電路實現函數發生器

2。用二極體折線近似電路實現三角波——正弦波的變換

二極體折線近似電路圖3

根據二極體折線近似電路實現三角波——正弦波的變換的原理圖，可得其輸入、輸出特性曲線如入3所示。

頻率調節部分設計時，可先按三個頻率段給定三個電容值：1000pF、0.01Μf、0.1μF然後再計算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對方波前後沿時間的要求，以及正弦波最高工作頻率（10kHz）的要求，在積分器、比較器、正弦波轉換器和輸出級中應選用Sr值較大的運放（如LF353）。為保證正弦波有較小的失真度，應正確計算二極體網路的電阻參數，並注意調節輸出三角波的幅度和對稱度。輸入波形中不能含有直流成分。

（二）方案二：用二極體折線近似電路以及集成運放組成的電路實現函數發生器

圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當8腳與一連續可調的直流電壓相連時，輸出頻率亦連續可調。當此電壓為最小值（近似為0）時。輸出頻率最低，當電壓為最大值時，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用範圍是0—3V。由於5G8038本身的線性度僅在掃描頻率範圍10：1時為0.2%，更大範圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，所以控制電壓經μA741后再送入5G8038的8腳，這樣會有效地改善壓控線性度（優於1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時輸出頻率可由下式決定：

f=0.3/RC4

設函數發生器最高工作頻率為2kHz，定時電容C4可由上式求得。

電路中RP3是用來調整高頻端波形的對稱性，而RP2是用來調整低頻端波形的對稱性，調整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩壓管VDz是為了避免8腳上的負壓過大而使5G8038工作失常設置的。

（三）方案三：用單片集成函數發生器5G8038

可行性分析：

上面三種方案中，方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要人為地搭建波形變換的電路圖。而方案三採用集成晶元使得電路大大簡化，但是由於實驗室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因為它是犧牲了成本來換取的方便。其次是對方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運放和三極體等電器原件，方案二是用的二極體、電阻、三極體、運放等電器原件，所以從簡單而且便於購買的前提出發我們選擇方案一為我們最終的設計方案。

從電路的設計過程來看電路分為三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分

由於我們選取差分放大電路對三角波——正弦波

進行變換，首先要完成的工作是選定三極體，我

們現在選擇KSP2222A型的三極體，其靜態曲線圖

像如右圖所示。

根據KSP2222A的靜態特性曲線，選取靜態

工作區的中心

由直流通路有：

20k

因為靜態工作點已經確定，所以靜態電流變成已知。根據KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：

可得

根據性能指標可知

由，可見f與c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C為10。10Hz~100Hz,C為1。

則=7.5k~75k，則=5.1k

則=2.4k或者=69.9k

∴取100k

∵

由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v，有

=

∴=10k

則≈47k，=20k

根據方波的上升時間為兩毫秒，查詢運算放大器的速度，可以選擇74141型號的運放。

由此可得調整電阻：

直接採用凌陽SPCE061A作為波形發生器。波形的具體產生是通過兩路DAC來產生，凌陽SPCE061A在這方面的設計為我們提供了極大的方便，用它實現的好處在於，外圍電路極其簡單，另外在DAC的編程方面又提供及其便利的編程環境。外圍電路的設計包括三大部分，第一是鍵盤控制電路的設計，這裡採用4*4鍵盤，由IOA的低八位進行控制，把鍵盤上的行和列分別接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7上，採用外部中斷二來中斷所顯示波形，以便進入下一波形的編輯和輸出，在波形輸出的同時利用外部中斷一來實現同步的頻率調節。第二是顯示電路的設計，這裡為了在波形輸出依然有顯示，由於單片機的局限性這裡採用通常的動態LED顯示行不通，因為波形輸出時要求CPU不停地為其服務而沒有空閑來為LED進行不停更新，解決方案是採用帶數據緩存器和驅動的LCD來提供顯示，這樣只佔用八個I/O口即可完成設計要求，也可放棄適時顯示功能採用LED顯示，這裡將提供兩種顯示方案。第三是濾波和電壓轉換電路的設計，濾波採用低通濾波器，濾除DAC轉換過程中形成的高頻小鋸齒波。另外由於凌陽SPCE061A單片機DAC輸出為電流輸出，為滿足達到5V的電壓輸出，外接OP07運算放大器進行放大，加1千歐姆電阻進行電流信號到電壓信號的轉換。本設計的特點是全面採用數字電路方案，因而工作穩定可靠。利用單片機控制管理，使頻率設置和占空比調整等操作可用鍵盤輸入，十分方便.

（一）按照方案一的電路圖焊接好電路板。

（二）調試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.

為便於測量，將電路板上的方波信號接入示波器，併合上C1=10µF的開關，斷開C2=1uF的開關，然後調節RP2,並測出此時方波信號頻率的變化範圍;

斷開C1的開關，合上C2的開關，按照同樣的方法調節RP2並記錄方波信號頻率的變化範圍，結果如下:

以上頻率並未完全到達要求的指標範圍，經分析，原因在於：

通過對比，發現頻率範圍整體下移，這裡可能存在兩個原因，第一是反饋通道上的存在磨損，使電阻值達不到計算的數值。第二是三角波運放上的反向端的電阻也存在一樣的問題。

①方波：

電路板上方波信號接入示波器，調節RP1,測得方波峰峰Vpp=14V，可見所得值與性能指標中的一致。

②三角波：

撤除方波信號並接入三角波信號，調節RP1,測得三角波峰峰值Upp=5V也能達到課題的要求。

③正弦波：

將正弦波信號接入示波器，調節RP3和RP4,測得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達課題要求。

3。波形特性測定:

①方波上升時間:

將電路板上的方波信號接入示波器,,調節示波器上周期調節旋鈕，直到能清楚觀測到方波信號上升沿處的躍變，測得方波上升時間為:

tr=6.4µs

分析：上升時間達不到要求，這個可以用換運放類型來解決。通過改變運放的速度來改變其上升時間。

①三角波非線形失真:

撤除方波信號，將電路板上三角波信號接入示波器通道1,測得此時的三角波信號參數如下:

頻率:f=98.42Hz

峰峰值:Upp=5V

此時將實驗台上函數發生器產生的三角波作為標準信號接入示波器的通道2,並調節其頻率及峰峰值，使之與要測試的三角波信號參數一致(f=98.42Hz,Upp=5V).

在示波器上的雙蹤模式下比較，發現兩通道的三角波完全重合，說明無非線形失真.

②正弦波嚴重失真:

分析：由於調節平衡的滑動變阻器的一隻引腳壞掉了，我自己拿一根導線將其接好，所以導致電路的不對成性，使得靜態工作點偏離原定的位置，故導致此結果。