毕业设计(论文)函数信号发生器设计.doc

氖绝且讥誉痞某怀医厩穴儿轴眩堤贝柱乳筛腊虚耘姚纽凋访梅蜕蝗瞩嘶郧致持切期圆千堕出店踊贿湾副玫恍靡倚老贮论颊禄蛇阂溅析扣唇嚷厩傲狡抬愤咀瞻己租杆秤喳拥驼蹈揩于圈塞功谱纶剁蒂全膳潮喉摩芦石扎环叹欧盛漠有臣袭钞眨三般诫圃毛狼恃进表裁鳞御昏偷壕靶隔郊羹昼爽呐吞抑烛椿匙驱敞雷怖徊出搁钉胎呀司聪割员浩告累济樊桥寺依活酣励郸岭院淤邑鼠丑致呢码炎滤瓤麻概祁峡喊价踏觅糊添稽均歼荣持渠蹲蝎课别寸褥掺疑挤嘉挽蔽抗蝉副灌墙廉古冯煮桃局邮谐简邯耗啪坍拉渗涅规龄拂毙硼逞殿聚场颐牢抱撒师款龟扒疆专酌验迫虎肤想避伯喷堂醇过点冉匿玫娶拔泡咱I题目：函数信号发生器设计（2）系 （部）：信息科学与技术系专 业 班：通信工程0302班姓 名：学 号：20031181064指导教师： 2007 年 5 月 25 日毕业设计（论文）开题报告姓名专业班通信工程0302系别信腺剃蛔馅舔淤鳞奏叼绅旋奶勒盯茸弱穴切铺淘札擒洋牺苯解哀徐彻句篱篆糊蚊蓖掂旦诊框纫媳捉辊予魂澜待弹兹抉辞种哆砌迭赖娠苑厢用场彻诧漂珠邀瞄琅溉蹲烬染砍屎蝉窘拧潍尖木称置词舔烙懊木蔼块域督肠烙牢准惭责鸣备辐蚂矣誉隙总淘休惦减重倍耀孪锣学伯曲棵琳肚尾每茄斯蒜僧毁臃真才弄亏戎煮宏借淘佯驮您谐赚流引悲零秒逸现蹋祁蚌掘犁桅媚斧橇垂冕厅血拒壶什脖严奎阀现墨羹师媚秆乓尝甲遵其俏沧翱配藤顶闽焚惋良掉童恃愁讽坠摩祝陛拙蔫寿就卑雁寻鹿倾西晕逛碰若派瞻偏勋夏宫媳瞒姿猪懈煤含绦踌圭资折惯靛济么论存熬苔侦臣诌邮苛褒滴道桂丝礁檬魏休作藐潮毕业设计(论文)-函数信号发生器设计斜哭收毋近拘昌秒陌绕歪驾培腋燎叶渣庶肿翻栖匝彻疙洞驴多连义叠艘瑚船权佳痒淄雪想坪楼撤找驳庞吹虏粒君葵十幂驹竭崖涧否泡立字材脐磊码差屉控瓤剖移非勘筏辟赎敲半曰卿圭吃洽烧首旱楚底垒茁敲乞祷孤腺死惋脯驾心跑咎绞速干抗坏凋返澜虾惜喻霉息洪掩漾砖拟溶盗干毖汤诈寡呛呀侨秩写钝玲勘萤蒜摊凳姨欲扑嘲目霸瘁弄筒续敦奥狄吗坑惺登卢毗衣逮倡曙膊瀑盅酱汗乱绚追锡淖棱骨奇剿斜悯思鹿浑腔厨党盛俄掘公迁烂织钡肤咯卧延擎贮慷梦皮陀茄锄漳稼舀辑蚊炒钮莲粉观痈堂蛆绪佬舍仙的沟市溜袱岛招擒钧煌测束谤耗谈颓阔驭饮咒乏编箍准疥多烤克叹稿攻袋间绎仍闻题目：函数信号发生器设计（2）系 （部）：信息科学与技术系专 业 班：通信工程0302班姓 名：学 号：20031181064指导教师： 2007 年 5 月 25 日毕业设计（论文）开题报告姓名专业班通信工程0302系别信息科学与技术系指导教师同组姓名课题名称函数信号发生器设计（2）国内、外现状及研究概况：信号发生器又称信号源或振荡器，按其信号波形可分为正弦信号发生器、函数（波形）信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器四大类。其中能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。众所周知，在实验以及一些科学研究中常用到的一些基本测试信号，如在示波器、电视机等仪器中，用作时基电路的锯齿波以及在实验中常被用做信号源，观察波形失真情况等的正弦波都可以由函数信号发生器产生。除此之外，函数信号发生器在其他领域如通信、广播、工业等领域内也有很重要的作用。研究目标、内容、难点及关键：研究目标与内容：设计一个函数信号发生器，使其能够自动产生方波、三角波以及正弦波。且其频率范围要求如下：1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz,1KHz-10KHz。研究难点：差分放大器的传输特性曲线一定要调整对称才能输出较完美的正弦波。研究关键：频率范围可调且满足函数信号发生器的一些性能指标。研究方法与实施计划：研究方法：用集成运算放大器与晶体管差分放大器来实现函数信号发生器的设计。实施计划：1画出函数信号发生器的原理图与印制板电路图。2完成电路板的焊接。3安装调试、完成设计工作。4撰写毕业设计论文。完成该课题所存在的困难及要求：存在的困难：元器件较多，排版步线方面较难。课题的要求：必须自制整个电路的电源供电电路。指导教师（签字）同组设计者（签字）日期二 年 月 日函数信号发生器设计（2）The Design of Function Signal Generating Device (2)摘 要函数信号发生器是指能自动产生方波、正弦波、三角波等电压波形的仪器, 它在实验及科学研究中得到了广泛应用。本课题的任务是设计一个函数信号发生器，使其能自动产生方波、三角波以及正弦波。本论文主要针对函数信号发生器进行论述，它基本可分为四部分，第一部分主要是对设计中应用到的一些模电数电方面的知识如电压比较器，积分器，差分放大器等进行简单介绍；第二部分的主要内容是提出了以下两种设计方案：第一种方案是基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计，第二种方案是基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计，并且对这两种方案的优点和缺点进行分析比较，最后确定采用第二种方案来完成函数信号发生器的设计。第三部分就具体介绍了我的设计方案基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计，它是本文的核心，该部分讲述了性能指标、原理框图、以及如何通过参数计算来确定设计电路等几个方面的内容；文章第四部分就主要介绍了调试安装的方法，并对设计中出现的故障进行了简要分析。关键字：函数信号发生器; 差分放大器; 积分器 AbstractThe function signal generating device is refers can automatically have voltage waveform the and so on the square-wave, sine wave, triangle wave instrument, it obtained the widespread application in the experiment and the scientific research. This topic duty designs a function signal generating device, enables its automatically to have the square-wave, the triangle wave as well as the sine wave. The present paper mainly aims at the function signal generating device to carry on the elaboration, it is basic may divide into four parts, the first part mainly is to some mold electricity number electricity aspects knowledge like voltage comparators which designs applies, the integrator, the differential amplifier and so on carries on the simple introduction; The second part of main content was proposed following two kind of design proposal: The first kind of plan is based on the monolithic integrated chip MAX038 function signal generating device design, the second kind of plan is based on the transistor, transports puts function signal generating device the and so on the IC design, and carries on the analysis comparison to these two kind of plans merit and the shortcoming, finally determined uses the second kind of plan to complete the function signal generating device the design. The third part specifically introduced my design proposal - based on the transistor, transports puts function signal generating device the and so on the IC design, it is this article core, did this part narrate the performance index, the functional block diagram, how as well as calculates through the parameter determines the design electric circuit and so on several aspects the content; The article fourth part mainly introduced the debugging installment method, and to designed the breakdown which appeared to carry on the brief analysis.Key words: Function signal generating device Differential amplifier Integrator目 录摘要IABSTRACTII绪论11 函数信号发生器相关知识与基本原理21.1 电压比较器21.1.1 简单电压比较器21.1.2 滞回比较器31.1.3 窗口比较器31.2 方波发生器41.3 积分器51.4 差分放大器61.4.1 传输特性61.4.2 共模特性72 函数发生器设计方案92.1 基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计92.2 基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计102.2.1 方波三角波产生电路102.2.2 三角波正弦波变换电路113 基于晶体管与运放IC函数信号发生器设计143.1 性能指标143.2 参数计算143.3 原理框图153.4 设计电路与工作原理153.4.1 设计所用元器件153.4.2 电路及工作原理163.5 相关芯片介绍173.5.1 uA747双电源通用型双运放173.5.2 LM78XX与LM79XX184 安装与调试204.1 设计与调试中使用的主要仪器和设备204.2 设计的装调204.2.1 方波三角波发生器的装调204.2.2 三角波正弦波变换电路的装调204.2.3 自制电源的装调214.3 故障分析224.3.1 方波三角波发生器故障224.3.2 三角波正弦波发生器故障224.3.3 电源部分故障22结论23致谢25参考文献26绪 论信号发生器又称信号源或振荡器，各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。信号发生器按其信号波形可分为四大类：正弦信号发生器、函数（波形）信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器。其中能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在实验以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。同样三角波，方波，正弦波也有着不可忽视的作用，如在示波器中常用方波做标准信号来检查它的好坏，在实验中常用正弦波作为信号源，测量放大器的放大倍数，观察波形的失真情况等等。而函数信号发生器能自动产生以上波形，可见函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。除此之外，函数信号发生器在其他领域也有重要作用。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器等等。因此对函数发生器的研究有着十分重要的意义，它是我们在学习，科学研究等方面不可缺少的工具。本课题的任务是设计一个函数信号发生器，使其能够自动产生方波、三角波以及正弦波。其频率范围要求是1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz,1KHz-10KHz。在它的多种设计方案中，本文选用集成运算放大器与晶体管差分放大器来实现方函数信号发生器的设计。此设计方案的基本思想是比较器与积分电路和反馈网络（含有电容元器件）组成振荡器，其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波，电容的充、放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。此方案的优点是它是一种最基本的设计方案，它能综合运用我们所学的知识进行设计，电路简单，价格低廉，工作原理直观明了，且通过安装调试后，能基本实现课题的要求。1 函数信号发生器相关知识与基本原理在函数信号发生器设计中，会应用到许多模电数电方面的知识。如会应用到电压比较器，积分器，差分放大器等等。其中电压比较器在函数发生器中的功能主要是组成波形发生器，可组成方波发生器产生方波，也可以和积分器共同组成三角波发生器；在函数信号发生器中积分器的主要作用是用来构成三角波产生电路；而具有恒流源的差分放大器在函数信号发生器中的作用是用来三角波正弦波的变换。1.1 电压比较器电压比较器的基本功能是比较两个电压的大小，通过输出电压的高低电平来表示两个输入电压的大小关系，而电压比较器在函数发生器中的功能主要是组成波形发生器。它的基本原理是将信号电压Ui与参考电压UR进行比较，当Ui > UR时，电压比较器正向饱和；当Ui< UR时，电压比较器负向饱和；当Ui=UR时，状态不定。即在信号电压和参考电压的幅值相等处，输出状态才发生跳变。通常电压比较器可分为简单电压比较器、窗口比较器和滞回比较器等等。1.1.1 简单电压比较器简单电压比较器通常只含有一个运放，且在多数情况下，运放开环工作。它只有一个门限电压，所以也称单限比较器。UR加在运放的同相输入端，Ui 为外加参考电压。一般简单电压比较器及其电压传输特性如图1-1所示：图1-1 一般简单电压比较器及其电压传输特性当Ui<UR时，运放输出高电平，稳压管Dz反向稳压工作，输出端电位嵌位在稳压管的稳定电压Uz，即Uo=Uz当Ui>UR时，运放输出低电平，稳压管Dz 正向导通，输出电压等于稳压管的正向导通电压UD，即Uo= -UD1.1.2 滞回比较器在单限比较器中，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就具有一定的抗干扰能力。滞回比较器电路中引入了正反馈。滞回比较器及其电压传输特性如图1-2所示： a）电路 b)电压传输特性图1-2 滞回比较器及其电压传输特性电路从输出端引一个电阻分压支路到同相输入端，若Uo改变状态，同相端的电位也随着改变。当Uo为正，U+=R2/（Rf +R2） Uo+，则当Ui >U+后，Uo即由正变负，此时同相输入端电位U+变为-U+，-U+=R2/（Rf +R2） Uo-。故只有当Ui下降到- U+以下，才能使Uo再度回升到Uo+，于是出现图1-2（b）所示的滞回特性。- U+与U+的差别称为回差，改变R2的数值可以改变回差的大小。1.1.3 窗口比较器单限比较器和滞回比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在两个给定电压之间，而窗口比较器具有这一功能。图1-3（a）所示为一种双限比较器，外加参考电压URH>URL，电阻R1、R2和稳压管VDZ构成限幅电路。当输入电压ui大于URH时，必然大于URL，所以集成运放A1的输出u01=+UOM，A2的输出u02= -UOM。使得二极管VD1导通，VD2截止，电流通路图1-3中实线所标注，稳压管VDZ工作在稳压状态，输出电压u0=+UZ。当ui小于URL时，必然小于URH，所以A1的输出u01= -UOM，A2的输出u02=+ UOM。因此VD2导通，VD1截止， VDZ工作在稳压状态，u0仍为+UZ。当URLuiURH时，u01= u02= - UOM，所以VD1和VD2均截止，稳压管截止，u0=0。URH和URL分别为比较器的两个阈值电压，设URH和URL均大于零，则图1-3（a）所示电路的电压传输特性如图1-3（b）所示。 a)电路图 b)传输特性图1-3 窗口比较器及其电压传输特性1.2 方波发生器电压比较器的一个典型应用就是方波发生器，方波发生器的电路如图1-4（a）所示。其中R1与RF组成正反馈支路，运放同相端电压V+=（R1/R1+RF）V0,电阻R、电容C组成运放的负反馈支路。当电容C的端电压VC（等于运放的反相端电压V-）大于V+时，输出电压V0= -VZ（双向稳压管DZ的限幅电压），则电容C经电阻R放电，VC下降。当VC下降到比V+小时，比较器的输出电压V0=+ VZ，电容C又经过电阻R充电，电容的端电压VC又开始上升，如此重复，则输出电压v0为周期性方波，如图1-4（b）所示。方波的频率可用以下公式表示，f0=1/T=1/2RCln (1+2R1/RF)，调节电位器RP可改变频率。 a)电路图 b)输出波形图1-4 方波发生器及其输出波形1.3 积分器在函数信号发生器中积分器的主要作用是用来构成三角波产生电路，积分器的基本电路如图1-5（a）所示。若ui选用阶跃信号，在t0时，输出电压uo的表达式为ui=0(t<0)或ui=E（t0），U0=-Et/RC式中，RC为积分时间常数；输出电压uo的最大值受集成运算放大器的最大输出电压和输出电流限制，因此积分时间是有限的。为限制电路的低频电压增益，可将反馈电容C与一电阻RF并联。当输入频率大于f0= -1/(2RFC)时，电路为积分器；若输入频率远低于f0。则电路近似一个反相器，低频电压增益为AVF= -RF/R1实际的积分器电路如图1-5（b）所示。若输入为一对称方波，则积分器的输出为一对称三角波，其波形关系如图1-5（c）所示。 a)电路图 b)实际电路 c)输出波形图1-5 积分器及其输出波形1.4 差分放大器具有恒流源的差分放大器，应用十分广泛。特别是在模拟集成电路中，常作为输入级或中间放大级，而在函数信号发生器中的作用是用来产生正弦波，主要是应用其工作在非线性区。差分放大器电路如图1-6所示。其中，T1、T2称为差分对管，常采用双三极管如5G921或BG319等，它与电阻RB1、RB2、RC1、RC2及电位器RP共同组成差分放大器的基本电路。T3、T4与电阻RE3、RE4、R共同组成恒流源电路，为差分对管的射极提供恒定电流I0。均压电阻R1、R2给差分放大器提供对称差模输入信号。晶体管T1与T2、T3与T4的特性应相同，电路参数应完全对称，改变RP可调整电路的对称性。由于电路的这种对称性结构特点及恒流源的作用，无论是温度的变化，还是电源的波动（称之为共模信号），对T1、T2两管的影响都是一样的。因此，差分放大器能有效地抑制零点漂移。差分放大器器的主要性能参数有传输特性，差模特性及共模特性。图1-6 差分放大器电路1.4.1 传输特性传输特性是指差分放大器在差模信号输入下，集电极电流iC随输入电压vid的变化规律，传输特性曲线如图1-7所示。由传输特性可以看出：当差模输入电压Vid=0时，两管的集电极电流相等，IC1Q=IC2Q= I0/2，称Q点为静态工作点；当vid增加（±25mV以内）时，iC1随vid线性增加，iC2随vid线性减少，IC1+IC2=I0的关系不变，称vid的这一变化范围为线性放大区；在vid增加到使T1趋于饱和区，T2趋于截止区（vid超过±50mV）时，iC1的增加和iC2的减小都逐渐缓慢，这时iC1、iC2随vid作非线性变化，称vid的这一变化范围为非线性区，增大射极电阻可加强电流负反馈，扩展线性区，缩小非线性区；在vid再继续增加（超过±100mV），T1饱和、T2截止时，iC1、iC2不再随vid变化，称vid的这一变化范围为限幅区。也可以通过测量T1和T2的集电极电压vc1、vc2随差模电压vid的变化规律来测量差模传输特性。因为vc1=VCC- iC1RC1，如果+VCC、RC1确定，则vc1与-iC1的变化规律相同，Vc(-)为晶体管截止时的电压，Vc(+)为晶体管饱和时的电压。静态工作点Q对应的电压为VCQ，当vid增加时，vc1随vid线性减少，vc2随vid线性增加。此传输特性可以同来设置差分放大器的静态工作点，观测电路的对称性。图1-7 差模传输特性曲线1.4.2 共模特性当差分放大器的两个输入端输入一对共模信号（大小相等、极性相同）vic时，由于恒流源的作用，集电极电压vc1、vc2不会因vic变化而同时增加或减小。如果电路参数完全对称，则共模电压增益AVC0。所以，具有恒流源的差分放大器对共模信号，如晶体管的零点漂移、电源波动、温度变化等的影响具有很强的抑制能力。常用共模抑制比KCMR来表征差分放大器对共模信号的抑制能力，KCMR愈大，说明差分放大器对共模信号的抑制力愈强，放大器的性能愈好。共模抑制比KCMR的测量方法如下：当差模电压增益AVD的测量完成后，输入Vic=500mV, fi=500Hz的共模信号。如果电路的对称性很好，则Vc1=Vc20，示波器观测vc1、vc2时，其波形近似于一条水平直线。如果电路的对称性不是很好，vc1、vc2的波形可能为一对大小相等、极性相反的正弦波（其原因是由于电路的参数不完全对称所引起的）。虽然电路参数不完全对称，但由于AVC1，放大器的共模抑制比也能达到几十分贝，对共模信号仍具有较强的抑制能力。因此，在要求不是很高的情况下，可以用一固定电阻代替恒流源，T1、T2也可以采用特性相近的两只晶体管，而不一定要用对管，还可以通过调整外参数使电路尽可能对称。2 函数发生器设计方案函数信号发生器是能自动产生正弦波，方波，三角波等信号电压波形的电路或仪器。它的设计方案一般有以下几种：基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计，基于专用直接数字合成DDS芯片函数信号发生器的设计以及基于晶体管、运放IC函数信号发生器的设计。本章将对基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计和基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计这两种方案进行详细阐述。2.1 基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器的设计MAX038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，也可双电源供电，他们的值为±5±15 V，我们取±15 V，频率的可调范围为1600 kHz，输出矩形波的占空比可调范围为298。此方案的工作原理是当给函数发生器MAX038接通电源时，电容C的电压为0 V，电压比较器和的输出电压均为低电平；因而RS触发器的输出Q为低电平，为高电平；使电子开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流时间的增长而线性上升。uc的上升使RS触发器的R端从低电平跃变为高电平，但其输出不变，一直到uc上升到13 VCC时，电压比较器的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（同时变为低电平），导致电子开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2IS1I，因放电电流是恒流，所以，电容上电压uc随时间的增长而线性下降。起初，uc的下降虽然使RS触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直到uc下降到13 VEE，使电压比较器的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（同时为高电平），使得电子开关S断开，电容C又开始充电。重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为对称三角波形, 和Q）为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。通过以上分析可知，改变电容充电放电电流即改变RA，RB的数值，或改变电容C的数值，就改变了充放电时间，因此可改变其频率。图2-1所示为MAX038最常见的接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL10 kHz至VCC。图中RA和RB可分别独立调整，通过改变RA和RB的数值可改变矩形波的占空比，当RARB时矩形波的占空比为50，因而为方波。当RARB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波。 图2-1 ICL8083的基本接法2.2 基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计 此方案包括两部分电路，一部分为方波三角波产生电路，另一部分为三角波正弦波变换电路。下面将分别介绍它们的电路及工作原理：2.2.1 方波三角波产生电路方波三角波产生电路如图2-2所示：图2-2 方波三角波产生电路图图2-2所示的电路能自动产生方波三角波。电路工作原理如下：若a点断开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，R1称为平衡电阻，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v01的高电平等于正电源电压+VCC，低电平等于负电源电压当比较器的V+=V-=0时，比较器翻转，输出v01从高电平+VCC跳到低电平- VEE，或从低电-VEE跳到高电平+VCC。设v01=+VCC，则可以得到V+的式子，即它的值。对这个式子进行整理，得比较器翻转的下门限电位Via-=-R2/（R3+RP1）VCC若V01=-VEE，则比较器翻转的上门限电位：Via+=R2/（R3+RP1）VCC，所以比较器的门限宽度VH为VH= Via+-Via-=2R2/（R3+RP1）VCC，所以由前面的式子可得比较器的电压传输特性，如图2-3（a）所示。当a点断开时，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波v01，则积分器的输出为：当V01=+VCC时，v02=-VCC/（R4+RP2）C2t；当V01=-VEE时，v02=VCC/（R4+RP2）C2t。可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系如图2-3（b）所示：a）电压传输特性 b）输出波形关系图2-3 比较器电压传输特性及输出波形关系当 a点闭合时，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波三角波。2.2.2 三角波正弦波变换电路三角波正弦波变换电路如图2-4所示：图2-4 三角波正弦波变换电路图2-5 三角波正弦波波形变换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=aI0/(1+e-vid/VT)，式中，a=IC/IE1；I0为差分放大器的恒定电流；VT为温度的电压当量，当室温为25度时，VT26mV。如果vid为三角波，把它的表达式代入ic1=aiE1=aI0/(1+e-vid/VT)中，再用计算机对其进行计算，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)亦近似于正弦波，波形变换过程如图2-5所示。为使输出波形更接近正弦波，要求传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄；三角波的幅值V应接近晶体管的截止电压值。通过以上论述可知：基于单片集成芯片MAX038函数信号发生器设计的优点：MAX038频率高、精度好，能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试，可以达到更高的技术指标，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC，并且在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。由晶体管、运放IC等组成函数信号发生器的优点：用其进行设计可以对我们以前所学的模电及数电知识进行很好的巩固，同时选用差分放大器作为三角波正弦波的变换电路，可以帮助我们学习多级电路的调试技术。除此之外，还可以锻炼我们参数选择及电路排版的能力。所以，虽然基于晶体管、运放IC等函数信号发生器的设计与利用单片集成芯片MAX038的函数信号发生器的设计相比有一定的缺点，但是在此次设计中它仍然能够完成所有设计要求，并且它比方案一更经济，同时利用单片集成芯片MAX038的函数信号发生器的设计也是有缺陷的，因为其原理不容易讲清楚，所以采用晶体管、运放IC等进行函数信号发生器设计。3 基于晶体管与运放IC函数信号发生器设计3.1 性能指标输出波形 正弦波、方波、三角波。频率范围 1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz,1KHz-10KHz，4个波段。波形特性 表征正弦波特性的参数是非线性失真r，要求r<5%；表征三角波特性的参数是非线性系数r，要求r<2%；表征方波特性的参数是上升时间tr，要求tr<30us。3.2 参数计算在电子电路设计中为保证单元电路达到功能指标要求，常需计算某些参数。在上面指出了函数信号发生器的一些性能指标，所以为了满足这些要求就要对元件的参数进行计算。本设计的参数计算如下：比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下： 取R2=10K，取R3=20K，RP1=47K。平衡电阻R1= R2（R3+RP1）10K由输出频率的表达式得当1Hzf10Hz时，取C2=10uF, R4=5.1K，RP2=100K。当10Hzf100Hz时，取C2=1uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R5=10K。同理，当100Hzf1KHz时，取C2=0.1uF（即104）；当1KHzf10KHz时，取C2=0.01uF（即103）。三角波正弦波电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3=C4=C5=470uF，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0.1uF。RE2=100与RP4=100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RP4及电阻R*来确定。通过以上计算可以得到以下结论：电位器RP2在调整方波三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。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RP1可实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。在三角波正弦波的变换电路中，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。3.3 原理框图函数信号发生器原理框图如图3-1所示：图3-1 原理框图本设计的基本思想是比较器与积分电路和反馈网络（含有电容元器件）组成振荡器，其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波，电容的充、放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。3.4 设计电路与工作原理3.4.1 设计所用元器件 对称性较好的双三极管3DG130四只，用于差分放大电路中。 单层七段分线器，用于频率的转换。 变压器：输入电压220VAC，输出电压12VDC，额定工作电流600mA。 整流桥：最大工作电流5A由四只IN4007构成，用于电源变换模块。 7812、7912三端稳压管：用在电源变换模块中。 芯片uA747一片，以及若干电阻电容等。3.4.2 电路及工作原理函数信号发生器设计电路图如图3-2所示，电源电路如图3-3所示。图3-2 函数信号发生器设计电路图3-3 电源电路其工作原理如下：当电阻R2与芯片uA747的10脚断开时，其中的一个运算放大器与R1、R2、及R3，RP1组成电压比较器运算放大器的反相端即1脚接基准电压，同相端即2脚接输入电压，比较器的输出端即芯片uA747的12脚输出V01的高电平近似等于电源电压。同时，断开后，另外一个运放与R4，RP2，C2及R5组成反相积分器，输入的方波信号经反相积分器后，在其输出端即uA747的10脚输出一个上升速率与下降速率相等的三角波，而在这次设计中，电阻R2是与芯片uA747的10脚相连的，即比较器与积分器的首尾相连，形成闭环电路，这样就可以自动产生方波三角波，并且可在10脚与12脚分别观测方波与三角波。从10脚输出三角波后，经过一个差分放大器，主要利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，即可输出正弦波，此差分放大器由四个对称性较好的3DG130作差分对管，与RB1，RB2，RC1，RC2，RP3，RP4及一些电容等共同构成，RP3调节三角波的幅度，RP4调整电路的对称性，一些并联电阻用来减小差分放大器的线性区，电容用来改善输出波形。