模电课程设计函数发生器.docx

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模电课程设计函数发生器

目录

1.函数发生器的几种设计方法

2.1基于555的函数发生器设计

2.2基于ICL8038函数发生器设计

2.3基于单片机的函数发生器设计

2.函数发生器的设计框图

3.函数发生器工作原理

4.1函数发生器原理图

4.2方波—三角波产生电路

4.3三角波—正弦波转换电路的工作原理

4.电路的参数选择及计算

5.1方波-三角波中电容C1变化

5.2三角波—正弦波部分

5.3函数发生器的电路图

5.电路仿真

6.1方波--三角波发生电路的仿真及实物波形

6.电路的安装与调试

7.1方波—三角波发生器的装调

7.2三角波—正弦波变换电路的装调

7.实验心得

1函数发生器的几种设计方法

1.1基于555的函数发生器设计

通过555定时器进行函数发生器的设计，电路简单，成本低廉。

555定时器是集模拟电路和数字电路为一体的中规模集成电路，只要适当配接少量的外围元件，可以方便的构成脉冲产生电路、脉冲变换电路及其它具有定时功能的电路。

设计思路为：

由555定时器构成的多谐自激震荡器得到方波；方波通过一阶RC积分电路得到三角波；三角波再通过二阶RC积分电路得到正弦波。

图1-1-1555定时器构成的函数发生器

图1-1-2电路仿真波形图

由555定时器构成的函数发生器，电路简单，成本低廉，如稍许增加正弦波放大电路及幅度调节电路，即可构成简单实用的信号源。

1.2基于ICL8038函数发生器设计

ICL8038的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间，它可以同时输出方波（或脉冲波）、三角波、正弦波。

其内部组成如图所示。

输出波形频率可变且精确度高，当输出波形频率小于10KHz时，误差仅为0.8%。

图1-2-1ICL8038内部框图

其中，振荡电容C由外部接入，它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。

恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电，增加电容电压，从而改变比较器的输入电平，比较器的状态改变，带动触发器翻转来连续控制的。

当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态，电容电压达到比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1状态改变，使触发器工作状态发生翻转，将模拟开关K由B点接到A点。

由于恒流源2的工作电流值为2I，是恒流源1的2倍，电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将线性下降，当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态改变，使触发器又翻转回到原来的状态，这样周期性的循环，完成振荡过程。

在以上基本电路中很容易获得3种函数信号，假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等，而且在电容器充放电时，电容电压就是三角波函数，三角波信号由此获得。

由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的，所以，触发器的状态翻转，就能产生方波函数信号，在芯片内部，这两种函数信号经缓冲器功率放大，并从管脚3和管脚9输出。

图1-2-2ICL8038管脚图

图1-2-2为ICL8038的管脚图，下面介绍各引脚功能。

脚1、12（Sine　Wave　Adjust）：

正弦波失真度调节；脚2（Sine　Wave　Out）：

正弦波输出；脚3（Triangle　Out）：

三角波输出；脚4、5（Duty　Cycle　Frequency）：

方波的占空比调节、正弦波和三角波的对称调节；脚6（V＋）：

正电源±10V～±18V；脚7（FM　Bias）：

内部频率调节偏置电压输；脚8（FMSweep）：

外部扫描频率电压输入；脚9（Square　Wave　Out）：

方波输出，为开路结构；脚10（Timing　Capacitor）：

外接振荡电容；脚11（V－or　GND）：

负电原或地；脚13、14（NC）：

空脚。

图2-2-3ICL8038组成的音频函数发生器

图1-2-4ICL8038函数发生器电路

通过调节RV2的位置，即可调节函数发生器的输出震荡频率的大小

图1-2-5仿真波形图

1.3基于单片机的函数发生器设计

可以以AT89C52单片机为核心，选用DAC0832为模数转换芯片，并辅以必要的模拟电路，设计基于AT89C52单片机的函数发生器。

该方案的主要思路是采用编程的方法来产生希望得到的波形，用户将要输出的波形预先储存在半导体存储器中，在需要某种波形时将存储在存储器中的数据依次读出来，经过数模转换、滤波等处理后，输出该波形信号。

该方案优点是输出信号的频率稳定抗干扰能力强，实现任意波形的信号容易，可通过外置按键或键盘来设定所需要产生信号源的类型和频率，还可以通过显示器显示波形的相关信息。

不足之处是由于单片机的处理数据速度有限，当产生频率比较高的信号时，输出波形的质量将下降。

2函数发生器的设计框图

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块AT89C52）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，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；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，本课题中函数发生器电路组成框图图1-1所示：

图2-1-1函数发生器原理框

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

3函数发生器工作原理

3.1函数发生器原理图

图3-1三角波—方波—正弦波函数发生器实验电路

3.2方波—三角波产生电路20

图4-2-1所示电路能自动产生方波—三角波。

其电路的工作原理如下：

图3-2-1方波—三角波产生电路

若放大器A1同相输入端a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器。

运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。

比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。

设Uo1=+Vcc,则

（3-2-1）

式中RP1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Uia-为

（3-2-2）

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为

（3-2-3）

比较器的门限宽度

（3-2-4）

由式（4-2-1）～（4-2-4）可得比较器的电压传输特性，如图4-2-2所示。

图3-2-2比较器电压传输特性

图3-2-3方波—三角波

当比较器的门限电压为Via+时输出Vo1为高电平（+Vcc）。

这时积分器开始反向积分，三角波Vo2线性下降。

当Vo2下降到比较器的下门限电位Via－时，比较器翻转，输出Vo1由高电平跳到低电平。

这时积分器又开始正向积分，Vo2线性增加。

如此反复，就可自动产生方波-三角波。

A点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出

　（3-2-5）

当

时，

（3-2-6）

当

时，

（3-2-7）

可见，积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形如图4-2-3所示。

a点闭合，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。

三角波的幅度

（3-2-8）

方波-三角波的频率为

（3-2-9）

由式（3-2-8）以及（3-2-9）可以得到以下结论：

（1）电位器RP2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。

若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。

（2）方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。

三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。

电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

3.3三角波—正弦波转换电路的工作原理

三角波—正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

（3-3-1）

式中

，

—差分放大器的恒定电流；，

—温度的电压当量，当室温为25摄氏度时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

（3-3-2）

式中Um—三角波的幅度；T—三角波的周期。

将式（3-3-2）代入式（3-3-1）得

（3-3-3）

用计算机对式（3-3-3）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3-3-1所示：

图3-3-1三角波—正弦波变换

为使输出波形更接近正弦波，由图可见要求：

传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。

三角波的幅度Um应正好使晶体管截止电压。

图3-3-2为实现三角波—正弦波变换的电路。

其中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。

电容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。

图3-3-2三角波—正弦波变换电路

4.电路的参数选择及计算

4.1方波-三角波中电容C1变化

实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。

实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

4.2三角波—正弦波部分

比较器A1与积分器A2的元件计算如下。

由式（4-2-8）得

（4-2-1）

取

，取

，

为

的电位器。

取平衡电阻

由式（4-2-9）得

（4-2-2）

当

时，取

，则

，取

，为

电位器。

当

时，取

；当

时，取

以实现频率波段的转换，

及

的取值不变。

取平衡电阻

。

三角波—正弦波变换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

，滤波电容

视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，

可取得较小，

一般为几十皮法至0.1微法。

欧与

欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。

差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整

及电阻

确定。

4.3函数发生器的电路图

函数发生器整体电路图如图4-3-1所示。

图4-3-1三角波—方波—正弦波函数发生器实验电路电路

先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。

5.电路仿真

5.1方波--三角波发生电路的仿真及实物波形

画出电路图，并