毕业设计（论文）-函数信号发生器设计 (2).doc

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1、题目：题目：函数信号发生器设计（函数信号发生器设计（2 2） 系系 （部）：信息科学与技术系（部）：信息科学与技术系 专专 业业 班：通信工程班：通信工程 0302 班班 姓姓 名：名： 学学 号：号：20031181064 指导教师：指导教师： 2007 年年 5 月月 25 日日 2 毕业设计（论文）开题报告毕业设计（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

2、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

3、：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。 3 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（函数信号发生器设计（2） The Desi

4、gn of Function Signal Generating Device (2) I 摘摘 要要 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

5、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 II Abstract The function signal generating device is refers can automatically have v

6、oltage 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

7、 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

8、, 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

9、 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 genera

10、ting 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

11、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 genera

12、ting device Differential amplifier Integrator III 目目 录录 摘要.I Abstract.II 绪论.1 1 函数信号发生器相关知识与基本原理.2 1.1 电压比较器2 1.1.1 简单电压比较器.2 1.1.2 滞回比较器.3 1.1.3 窗口比较器.3 1.2 方波发生器4 1.3 积分器5 1.4 差分放大器6 1.4.1 传输特性.6 1.4.2 共模特性.7 2 函数发生器设计方案.9 2.1 基于单片集成芯片 MAX038 函数信号发生器的设计9 2.2 基于晶体管、运放 IC 等函数信号发生器的设计10 2.2.1 方波三角波产生

13、电路.10 2.2.2 三角波正弦波变换电路.11 3 基于晶体管与运放 IC 函数信号发生器设计.14 3.1 性能指标14 3.2 参数计算14 3.3 原理框图15 3.4 设计电路与工作原理15 3.4.1 设计所用元器件.15 3.4.2 电路及工作原理.16 3.5 相关芯片介绍17 3.5.1 uA747 双电源通用型双运放.17 IV 3.5.2 LM78XX 与 LM79XX.18 4 安装与调试.20 4.1 设计与调试中使用的主要仪器和设备20 4.2 设计的装调20 4.2.1 方波三角波发生器的装调.20 4.2.2 三角波正弦波变换电路的装调.20 4.2.3 自制

14、电源的装调.21 4.3 故障分析22 4.3.1 方波三角波发生器故障.22 4.3.2 三角波正弦波发生器故障.22 4.3.3 电源部分故障.22 结论.23 致谢.25 参考文献.26 1 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

15、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

16、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

17、、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。 2 1 1 函数信号发生器相关知识与基本原理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

18、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 UiUR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= -UD 1.1.2 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

19、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 U

20、o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 URHURL，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

21、4 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

22、 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，f

23、0=1/T=1/2RCln (1+2R1/RF)，调节电位 器 RP 可改变频率。 5 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(t0)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=

24、 -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 6 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 5

25、G921 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

26、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， 7 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

27、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

28、，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

29、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 8 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

30、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。 9 2 2 函数发生器设计方案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

31、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515 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 Q 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

32、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 Q 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 Q 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 Q 弦波电路输出正弦波电压。

33、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 10 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

34、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， 11 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

35、跳 EECCEE VVV （） 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

36、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 12 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

37、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 13 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

38、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

39、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。 14 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-1K

40、Hz,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 r5%；表征三角波 特性的参数是非线性系数 r，要求 r2%；表征方波特性的参数是上 升时间 tr，要求 tr30us。 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： 22 31 41 123 O m CC VR RRPV 取 R2=10K，取 R3=20K，RP1=47K。平衡电阻 R1= R2（R

41、3+RP1）10K 由输出频率的表达式得 31 42 22 4 RRP RRP R C f 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

42、波形而定，若含 15 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，R

43、P2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 16 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

44、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 17 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

45、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

46、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。除此之外，图 是电源电路，为整个电路提供12V 的电压，其工作原理 是变压器经一个桥式电路（由四个 IN4007 构成）后，分为两路：一路去接正稳压管 LM7812 输出+12v 电压，另一路去接负稳压管 LM7912 输出-12v 电压，两部分电路是 对称的。 3.5 相关芯片介绍 3.5.1 uA747 双电源通用型双运放

47、uA747 是一种高增益的双运算放大器，两个运放具有共同的偏置和负电源引线， 正电源分别引线，工作时各自具有独立的功能。其特点为：无需外部频率补偿，具有 短路保护，有很宽的差模和共模输入电压范围，功耗低，使用中不会出现阻塞现象， 可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。同类或直接代替的型号有 CF747MT、CF747CT、CF747MD、CF747CD、CF747MJ、CF747CJ、CF747CP、SG 747 等。 uA747 引脚排列封装如图 3-4 所示。其各脚功能如下： 脚 1IN_为 1 单元反相输入端； 18 脚 1IN+为 1 单元同相输入端； 脚 1OA2 为 1 单元调

48、零端； 脚 V_为公共负电源端； 脚 2OA2 为 2 单元调零端； 脚 2IN_为 2 单元反相输入端； 脚 2IN+为 2 单元同相输入端； 脚 2OA1 为 2 单元调零端； 脚 2V+为 2 单元正电源端； 脚 2OUT 是 2 单元输出端； 脚 NC 为空脚； 脚 1OUT 是 1 单元输出端； 脚 1V+为 1 单元正电源端； 脚 1OA1 为 1 单元调零端。 电源电压：uA747 为22V，CF747C 为18V。差模输入电压30V；共模输入 电压15V；开环电压放大倍数 2105（一个单元，V0=10V，RL2K；）功耗 100mW；输入电阻 2.0M；输出电阻 75。 uA

49、747 的典型应用电路如图 3-4 所示。 图 3-4 引脚封装图及典型电路 3.5.2 LM78XX 与 LM79XX LM78XX 称为正稳压器，正定值的三端稳压器如图 3-5 所示。当外加适当大小的 19 散热片且整流器能提供足够的输入电流时，稳压器可提供 1.5A 的输出电流。若散热 片散热不够，片子中的热开关电路能起过流保护作用。根据 78XX 系列中的 XX 不同， 其输出稳压值不同，如 7805 可提供+5V 的输出电压，7812 可提供+12V 输出电压。图 中 1 脚为输入端，2 脚为输出端，3 脚为接地端。 图 3-5 三端稳压器 LM79XX 称为负稳压器，它的构造与 LM78XX 是相同的，它能提供多种直流负 压输出。同理，当外加适当大小的散热片且整流器能提供足够的输入电流时，稳压器 可提供 1.5A 的输出电流，