函数发生器设计报告
课程设计报告
课程：电子线路课程设计 学院：电子与信息工程学院 专业：电子信息科学与技术
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一、函数发生器设计
1. 方波-三角波-正弦波函数发生器设计.................................. 1
（1）方波-三角波产生电路 ........................................ 1 （2）三角波-正弦波变换电路 ...................................... 3 2. 仿真设计.......................................................... 4
（1）方波-三角波发生器的装调 .................................... 5 （2）三角波-正弦波变换电路的装调 ................................ 5 （3）误差分析 ................................................... 6 3. 实物制作.......................................................... 6 4. 心得体会......................................................... 10
一、函数发生器设计
1. 方波-三角波-正弦波函数发生器设计
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。产生正弦波、方波、三角波的方案多种，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；也可以先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。
（1）方波-三角波产生电路
图1所示的电路能自动产生方波-三角波，左边是同相输入的迟滞电压比较器，右边是积分器。
图1方波-三角波产生电路
若a 点断开，比较器U1的反相端接基准电压，即V-=0，同相端接输入电压 V in ；比较器输出V O1的高电平V OH 接近于正电源电压+VCC，低电平V OL 接近于负电源电压-VEE ，根据叠加原理，得到
V+=R
R2
2+R3+RP
1
Vo1+R
R3+RP1
2+R3+RP1
Via(1)
式中，R4指电位器的调整值。
通常将比较器的输出电压V O1从一个电平跳变到另一个电平时对应的输入电压称为门限电压，将比较器翻转式对应的条件V+=V-=0代入式(1)，得到
Via=R
−R2
3+RP1
Vo1(2)
−R2
3+RP1
设V o1=VOH =+VCC ，代入式(2)得到一个较小值，即比较器翻转的下门限电平
V T-=Via-=R
VOH =R
−R2
3+RP1
VCC
(3)
设V o1=VOL =-VEE =-VCC ，代入式(3)得到一个较大值，即比较器翻转的上门限电
−R2
3+RP1
平V T+=Via+=R
VO Ｌ=R
−R2
3+RP1
VCC (4)
R ２+RP1３
比较器的门限宽度或回差电压为
△ＶT =ＶT ＋－ＶT-=2×R
ＶCC (5)
比较器的电压传输特性如图3所示。当v o1为往复跨越上，下门限电平的电压波形时，则v o1不断在高，低电平之间跳变，即输出一串方波。C 1在v o1跳变瞬间可看作短路，使门限迅速改变，即运放 Ａ１的Ｖ+和Ｖ－之差迅速增大，从而加速输出的翻转。Ｃ１和ｖo1保持高电平或低电平期间则可看作开路。 Vo Vo
VT
VO
图3比较器电压传输特性图4方波-三角波
A 点端开后，运放A 2与Ｒ４，R Ｐ２，Ｃ２及R 5组成反相积分器，若积分器的输入信号v o1为方波，则输出电压等于电容两端的电压，即 v o2 =- vC2 =-C∫(R
1
vo1
4+RP2
dt=−C∫t)
1t1
vo1R4+RP2
vc2(t0)=- R
vo1
4+RP2C2
t1−t0 +
vo2(t0) (6)
式中，vc2(t0) 是t 0时刻电容两端的初始电压值，vc2(t0) 是t 0时刻电路的输出电压，且有vc2(t0) =-vc2(t0) 。 当vo1=+VCC时，则vo2=-当vo1=−VCC时，则vo2=-VCC
（R4+RP2）C2
VCC
（R4+RP2）C2
（t1−t0）+vo2(t0) (7) （t1−t0）+vo2 t0 (8)
可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个下降速率与上升速率相等的三角波，其波形关系如图4所示，实际波形如图6所示。 A 点闭合即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，只要积分器的输出电压v o2达到比较器的门限电平，使得比较器的输出状态发生改变，则该电路就能自动产生方波-三角波。
由图4所示的波形可知，输出三角波的峰-峰值就是比较器的门限宽度，即
Vo2pp =△VT=R
2R2
3+RP1
VCC
(9)
积分电路的输出电压v o2从V T -上升到V T +所需的时间是振荡周期的一半，即在T/2时间内v o2的变化量等于Vo2pp 。根据式（8）得到电路的振荡周期为
方波-三角波的频率为
F=4(R
1
4+RP2) C2
T=
4R2（R4+RP2）C2
R3+RP1
(10)
R3+RP1
R2
(11)
由式（9）及式（11）可以得出以下结论：
①方波的输出幅度约等于电源电压+VCC ，三角波的输出幅度与电阻R 2与(R3+RP1) 的比值有关，且小于电源电压+VCC 。电位器RP 1可实现三角波调幅微调，但会影响方波-三角波的频率。
②电位器RP 2在调整输出信号的频率时，不会影响三角波输出电压的幅度。因此应先调整电位器RP 1，使输出三角波的幅值达到所要求的值，然后再调整电位器RP 2，使输出频率满足要求。若要求输出频率范围较宽，可取不同的C 2来改变频率的范围，用RP 2实现频率微调。
（2）三角波-正弦波变换电路
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BJT 差分对管的饱和与截止特性进行变换、分析表明，差分放大器的传输特性曲线ic1 或ic2 的表达式为
Ic1=aiE1=
−1+eT
aI0
(12)
式中，а=IC /IE ≈1;I 0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摄氏度时，V T ≈26mV.
如果v id 为三角波，设表达式
4Vm
2V id 4T
Vm3TT
−T t−4 , 2≤t ≤T
t−4 , 0≤t ≤
TT
(13)
式中，V m 为三角波的幅度；T 为三角波的周期。 将式（13）代入式（12），则
(t−) T1+e
t−) T1+e
aI0
, 0≤t≤
T
T2
ic1 t =
aI0
, 2≤t≤T
(14)
用计算机对式（14）进行计算，打印输出的ic1 t 或ic2 t 曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压vC1 t , vC2 t 也近似于正弦波，波形变换过程如下图6所
示。
2. 仿真设计
频率范围：1-10Hz ，10-100Hz ；输出电压：方波Vpp ≤24V, 三角波V P-P =8V，
正弦波Vpp ＞1V ；波形特性：方波t r ＜30μs ，三角波γ∆＜2%，正弦波γ~＜5%. 解：①确定电路形式及器件型号。采用如下电路图5，放大器U1与U2用2只AD8541AKS 运放器。
②计算元件参数。比较器U1与积分器U2的元件参数计算如下：
1o2m
由V O2PP =∆VT=R3+1VCC得 =
R4R3+R4Vcc3
2RRV1
取R2=10kΩ，R3=20kΩ，R4=50kΩ。平衡电阻R2=R1//（R3+R4）≈10k Ω。 由输出频率表达式f=4 R5+R6 C11
R3+R4R1
得 R5+R6=4R
R3+R4
1C1f
图5方波-三角波-正弦波函数发生器电路
当1Hz ≤f ≤10Hz 时，取C2=10μF ，R5=5.1kΩ。当10Hz ≤f ≤100Hz 时，取C2=1μF 以实
现频率波段的转换，R5及R6的取值不变。取平衡电阻R7=10kΩ。
三角波-正弦波电路参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取大，因为输入频率低，C3=C4=C5=470μF ；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0.1μF 。R12=100Ω及R13=100Ω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测传输特性曲线、调整R13及电阻R16来确定。
（1）方波-三角波发生器的装调
由于比较器U1与积分器U2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路可以同时安装。注意：在安装时R4与R6之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能不会起振。如果电路线路正确，则在接通电源后，U1的输出V O1为方波，U2的输出为三角波，微调R4，使三角波的输出幅度满足设计指标，调节R6，则输出频率连续不变。
（2）三角波-正弦波变换电路的装调
①差分放大器传输特性曲线调试。将C4与R13断开，经电容C4输入差模信号电压V id =50mV，f1=100Hz正弦波。调节R13及电阻R16，使传输特性曲线对称。再逐渐增大V id ，直到特性曲线如下图6，再记录下对应的峰值V idm 。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点Io 、V CIQ 、V C2Q 、V C3Q 、V C4Q 。
②三角波-正弦波变换电路调试。将R8与C4的连线断开，经电容C4输入差模信号V id =50mV，f i =100Hz的正弦波。调节R8使三角波的输出幅度等于V idm 值，此时V O3波形应接近正弦波，调整C5改善波形。
图6方波-三角波-正弦波
（3）误差分析
①方波输出电压Vpp ≤2VCC ，是因为运放的输出存在饱和压降，使方波输出幅度小于电源电压值。
②方波的上升时间t r ，主要受运放转换速率的限制。如果输出频率较高，则可在R3、R4两端并入一个几十皮法的电容。可用示波器测量t r 。
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应接近BJT 差分对管的截止电压值。
三角波-正弦波的变换电路中，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。
3. 实物制作
本电路采用±9V 电源供电，采用AD827双运算放大器，芯片引脚资料如图7。Q1、Q2三极管的β最好相等，测得β=363。
图7芯片AD827引脚图
① 实物作品如图8：
图8实物作品
② 当AD827的6、7脚接10uf 电容时（即仿真电路中Key 打在C2上）的波形
图9 10uf电容时的矩形波
图1010uf 电容时的三角波
图1110uf 电容时的正弦波
③ 当AD827的6、7脚接1uf 电容时（即仿真电路中Key 打在C1上）的波形图
图121uf 电容时的矩形波
图131uf 电容时的三角波
图141uf 电容时的正弦波
当AD827的6、7脚接电容会影响输出波形的频率，电容值越小频率越大。通过调节滑动变阻器可以改变波形的峰值、周期、波形形状。
4. 心得体会
在这次的做作品的过程中，我了解了AD827的功能，知道了其在集成功率放大电路中所起的作用。在实验过程中，我也遇到了不少的问题，如波形失真，电路板测试时甚至不出波形这样的问题。通过我的认真分析，一步一步检查问题，找到了错误，改进了电路，最后完成了实验。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，这次实验让我对过去未理解的很多知识有了深刻的认识。