1、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
2、弦波变换电路的装调 .7.实验心得11 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。A1555_VIRTUALGNDDISOUTRSTVCCTHRCONTRIVCC12VR11kR220kR3100kKey=A65%C11
3、0nF C210nFC3100uFC4470nF C5100nF C6100nFR45.1kR510kR610kR71kJ1Key = Space42VCC135 809XSC1Tektronix1 2 3 4 TGP67XDA1THD10图 1-1-1 555 定时器构成的函数发生器图 1-1-2 电路仿真波形图2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
4、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%。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 23 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
5、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 13 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，触发器的状态翻图 1-2-1 ICL8038 内部框图3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 1-2-2 为 ICL8038 的管脚图，下面介绍各引脚
6、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10V18V；脚7（FM Bias）：内部频率调节偏置电压输；脚 8(FM Sweep)：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
7、 1-2-2 ICL8038 管脚图C1 0.1F RP2 1k RA RB 4.7k 4.7k 5 4 6 RL 15k +5V VCC 9 3 2 8 ADJF2 ADJF1 V + SQ TR1 SIN V/GND FM-IN Ct Ct 4700pF 10 11 12 RP3 100k 20Hz20kHz 5V RP1 10k R1 20k 8038 VEE ADJS2 图 2-2-3 ICL8038 组成的音频函数发生器4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
8、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，SQUARE9SIN2TRIAGLE3D_ADJ14_J25V+6CAP10S_ADJ212 V-1_J11SWEP8FM_BIAS7 U1ICL8038C10.1uFC210pF9%RV110k0%RV21k3%RV310kR14.7k R24.7kR31k+12V-12VABCD图
9、 1-2-4 ICL8038 函数发生器电路图 1-2-5 仿真波形图5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
10、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：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，因此图
11、 2-1-1 函数发生器原理框6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：vo1 +12V 13 12 4 R3 20k 12V 47k 10k R2 2 R1 10k 1 RP2 R4 5.1k 100k 7 6 R5 10k A1 A2 9 4 C1 10F S C2 1F +12V vo2 10 C3 470F RP3 47k C4 470F RB1 6.8k T1 RC1 10k +12V RC2
12、10k C6* 0.1F C5 470F vo3 RB2 T2 6.8k 100 RP4 RE2 100 RE3 2k T3 T4 RE4 2k R 8k BG319 12V A747 1 2 A747 1 2 12V RP1 A1 2 * + 图 3-1 三角波方波正弦波函数发生器实验电路7R110kR210kR320kR45.1kR510kRP147kKey=A 50%RP2200kKey=A 50%C11uFC2100nFC3470uFVCC7V VCC7VVEE-7V VEE-7VC710nFJ1Key = SpaceJ2Key = SpaceJ3Key = SpaceU1AOPA26
13、04AP32481U1BOPA2604AP56487XSC2A BExt Trig+_ + _3VCCVEE25821VCCVEE181210900 2170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
14、 Uo1=+Vcc,则 （3-2-1）312312()0CiaRPRUVUP 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）223131()CCiaRRUVPP 若 Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位 Uia+为（3-2-3）223131()ECiaRR比较器的门限宽度 （3-2-4）231HiaiUVP图 3-2-1 方波三角波产生电路8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。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 V
15、o2 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）2142()OOUUdtRPC当 时， （3-2-6）1OCUV24242()()CVttR当 时， （3-2-7）1E24242()()EOUttRPP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vo1 Via Via+ VCC VEE
16、via o VCC VCC R2 R3+RP1 VEE R2 R3+RP1 o VEE t T T 2 T 4 vo vo1 vo2 图 3-2-2 比较器电压传输特性图 3-2-3 方波三角波9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）2231OmCRUVP方波-三角波的频率为 （3-2-9）242()f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。（
17、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）01/idTCEUaIIe式中 ， 差分放大器的恒定电流；， 温度的电压当量，当室温为/a0I TU25 摄氏度时，UT26mV。如果 Uid 为三角波，设表达式为 4()(0)32midUTtttt（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
