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函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計
[ 2009-8-17 ] [轉(zhuǎn)載請注明來源：就是要儀器網(wǎng) mrboha.com]
設(shè)計一個函數(shù)發(fā)生器使得能夠產(chǎn)生發(fā)波、三角波、正弦波。
1、主要技術(shù)指標(biāo)
頻率范圍 10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz
頻率控制方式 通過改變RC時間常數(shù)手控信號頻率
通過改變控制電壓Uc實現(xiàn)壓控頻率VCF
輸出電壓 正弦波Upp≈3 V 幅度連續(xù)可調(diào);
三角波Upp≈5 V 幅度連續(xù)可調(diào);
方波Upp≈14 V 幅度連續(xù)可調(diào).
波形特性 方波上升時間小于2s；
三角波非線性失真小于1%；
正弦波諧波失真小于3%。
2、設(shè)計要求
（1） 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實驗室條件自選方案設(shè)計出原理電路圖，分析工作原理，計算元件參數(shù)。
（2） 列出所有元、器件清單報實驗室備件。
（3） 安裝調(diào)試所設(shè)計的電路，使之達(dá)到設(shè)計要求。
（4） 記錄實驗結(jié)果。
1.2基本原理
1、函數(shù)發(fā)生器的組成
函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器的方法。
1.3提出解決問題的方案及選取
1、三角波變換成正弦波
由運算放大器單路及分立元件構(gòu)成，方波——三角波——正弦波函數(shù)發(fā)生器電路組成如圖1所示，由于技術(shù)難點在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細(xì)介紹三角波到正弦波的變換。
（1） 利用差分放大電路實現(xiàn)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(qū)域越窄越好;三角波的幅度Uim應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。方案一：用差分放大電路實現(xiàn)三角波到正弦波以及集成運放組成的電路實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器
（2） 用二極管折線近似電路實現(xiàn)三角波——正弦波的變換
二極管折線近似電路 圖3
根據(jù)二極管折線近似電路實現(xiàn)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(diào)節(jié)部分設(shè)計時，可先按三個頻率段給定三個電容值：1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再計算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對方波前后沿時間的要求，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(zhuǎn)換器和輸出級中應(yīng)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(yīng)正確計算二極管網(wǎng)絡(luò)的電阻參數(shù)，并注意調(diào)節(jié)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。
方案二：用二極管折線近似電路以及集成運放組成的電路實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器
（3）圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當(dāng)8腳與一連續(xù)可調(diào)的直流電壓相連時，輸出頻率亦連續(xù)可調(diào)。當(dāng)此電壓為最小值（近似為0）時。輸出頻率最低，當(dāng)電壓為最大值時，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用范圍是0—3V。由于5G8038本身的線性度僅在掃描頻率范圍10：1時為0.2%，更大范圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，所以控制電壓經(jīng)μA741后再送入5G8038的8腳，這樣會有效地改善壓控線性度（優(yōu)于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?jīng)Q定：
f=0.3/RC4
設(shè)函數(shù)發(fā)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(diào)整高頻端波形的對稱性，而RP2是用來調(diào)整低頻端波形的對稱性，調(diào)整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩(wěn)壓管VDz是為了避免8腳上的負(fù)壓過大而使5G8038工作失常設(shè)置的。
方案三：用單片集成函數(shù)發(fā)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認(rèn)為地搭建波形變換的電路圖。而方案三采用集成芯片使得電路大大簡化，但是由于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管等電器原件，方案二是用的二極管、電阻、三極管、運放等電器原件，所以從簡單而且便于購買的前提出發(fā)我們選擇方案一為我們最終的設(shè)計方案。
1.4參數(shù)的確定
1、從電路的設(shè)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
2、正弦波部分
由于我們選取差分放大電路對三角波——正弦波
進(jìn)行變換，首先要完成的工作是選定三極管，我
們現(xiàn)在選擇KSP2222A型的三極管，其靜態(tài)曲線圖
像如右圖所示。
根據(jù)KSP2222A的靜態(tài)特性曲線，選取靜態(tài)
工作區(qū)的中心
由直流通路有：
20 k
因為靜態(tài)工作點已經(jīng)確定，所以靜態(tài)電流變成已知。根據(jù)KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：
可得
3、方波部分與三角波部分參數(shù)的確定
根據(jù)性能指標(biāo)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 =69.9 k
∴ 取100 k
∵
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 ≈47 k ， =20 k
根據(jù)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(diào)整電阻：
七、實務(wù)圖的焊接和調(diào)試
1、按照方案一的電路圖焊接好電路板。
2、調(diào)試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.
（1）頻率范圍:
為便于測量,將電路板上的方波信號接入示波器,并合上C1=10µF的開關(guān)，斷開C2=1uF的開關(guān),然后調(diào)節(jié)RP2,并測出此時方波信號頻率的變化范圍;
斷開C1的開關(guān),合上C2的開關(guān),按照同樣的方法調(diào)節(jié)RP2并記錄方波信號頻率的變化范圍,結(jié)果如下:
|
電容 |
頻率 |
|
10µF |
1Hz～30Hz |
|
1uF |
27.47～316Hz |
以上頻率并未完全到達(dá)要求的指標(biāo)范圍，經(jīng)分析，原因在于：
通過對比，發(fā)現(xiàn)頻率范圍整體下移，這里可能存在兩個原因，第一是反饋通道上的 存在磨損，使電阻值達(dá)不到計算的數(shù)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。
（2）輸出電壓：
① 方波：
電路板上方波信號接入示波器，調(diào)節(jié)RP1,測得方波峰峰Vpp=14V，可見所得值與性能指標(biāo)中的一致。
② 三角波：
撤除方波信號并接入三角波信號，調(diào)節(jié)RP1, 測得三角波峰峰值Upp=5V也能達(dá)到課題的要求。
③ 正弦波：
將正弦波信號接入示波器，調(diào)節(jié)RP3和RP4,測得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達(dá)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(diào)節(jié)示波器上周期調(diào)節(jié)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(dá)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(shù)如下:
頻率: f=98.42Hz
峰峰值: Upp=5V
此時將實驗臺上函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波作為標(biāo)準(zhǔn)信號接入示波器的通道2,并調(diào)節(jié)其頻率及峰峰值,使之與要測試的三角波信號參數(shù)一致(f=98.42Hz,Upp=5V).
在示波器上的雙蹤模式下比較,發(fā)現(xiàn)兩通道的三角波完全重合,說明無非線形失真.
② 正弦波嚴(yán)重失真:
分析：由于調(diào)節(jié)平衡的滑動變阻器的一只引腳壞掉了，我自己拿一根導(dǎo)線將其接好，所以導(dǎo)致電路的不對成性，使得靜態(tài)工作點偏離原定的位置，故導(dǎo)致此結(jié)果。
下一篇: 函數(shù)信號發(fā)生器的使用
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