毕业设计论文函数信号发生器设计说明

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1、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：指导教师：2007 年 5 月 25 日毕业设计（论文）开题报告专业班通信工程0302系别信息科学与技术系指导教师同组课题名称函数信号发生器设计（2）国、外现状与研究概况：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，在实验以与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

2、波以与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、工业等领域也有很重要的作用。研究目标、容、难点与关键：研究目标与容：设计一个函数信号发生器，使其能够自动产生方波、三角波以与正弦波。且其频率围要求如下：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

3、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与要求：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)26 / 33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, 它在实验与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、三角波以与正弦波

4、。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、以与如何通过参数计算来确定设计电路等几个方面的容；文章第四部分就

5、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 resea

6、rch. 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,

7、 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 p

8、roposal: 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 the

9、se 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

10、 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 debugg

11、ing installment method, and to designed the breakdown which appeared to carry on the brief analysis.Key words: Function signal generating device Differential amplifierIntegrator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

12、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 电路与工作原理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20

13、4.2 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。在实验以与一些科学研究中，锯齿波和正弦波、

14、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

15、荡器。在工业、农业、生物医学等领域，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、三角波以与正弦波。其频率围要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

16、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

17、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

18、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与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与其电压传输特性当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= -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。滞回比较器与其电压传输特性如图1-2所示

19、：a）电路 b)电压传输特性图1-2 滞回比较器与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

20、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VD

21、2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 窗口比较器与其电压传输特性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

22、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 方波发生器与其输出波形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

23、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 积分器与其输出波形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

24、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与电位器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的特性应一样，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与恒流源的作用，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

25、数有传输特性，差模特性与共模特性。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）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

26、化，称vid的这一变化围为非线性区，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的变化规律一样，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

27、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、极性一样）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,

28、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

29、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与基于晶体管、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515 V，我们取15 V，频率的可调围为1600 kHz，输出矩形波的占空比可调围为298。此方案的工作原理是当给函数发生器MAX038接通电源时，电

30、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

31、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

32、。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与工作原理：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与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

33、；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、R

34、P2、C2与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与输出波形关系当 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

35、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

36、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与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与

37、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r5%；表征

38、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： 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与RP2的取值不

39、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与电阻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

40、。若要求输出频率围较宽，可用C2改变频率的围，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

41、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，以与若干电阻电容等。3.4.2 电路与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

42、 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、与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与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

43、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与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

44、3.5.1 uA747双电源通用型双运放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、求和放大器与普通反馈放大器。同类或直接代替的型号有CF747MT、CF747CT、CF747MD、CF747CD、CF747MJ、CF747CJ、CF747CP、SG747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； 脚1IN+为1单元同相输入端； 脚1OA2为1单元调零端； 脚

45、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。uA747的典型应用电路如图3-4所示。图3-4 引脚封装图与典型电路3.5.2 LM78XX与LM7

46、9XX 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是一样的，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，同时根据79XX系列中的XX不同，其

47、输出稳压值不同，如7905可提供-5V的输出电压，7912可提供-12V输出电压。与78XX系列不同的是，它的1脚为接地端，2脚为输出端，3脚为输入端。4 安装与调试4.1 设计与调试中使用的主要仪器和设备使用的主要仪器和设备有：HG2040型示波器：用于检测此设计输出波形，并对它们的峰峰值进行检测。MF47D型万用表：电路调试阶段，测试各元器件的工作状态参数；在产品制作后期，用来测试整个电路的静态工作点。自制数字频率计：用于测试各输出波形的频率。YB1731A2A型直流稳压电源：在未知自制电源正确与否的情况下，用来提供12V直流稳压电源，用于电路的检测。4.2 设计的装调4.2.1 方波三角

48、波发生器的装调由于比较器A1与积分器A2组正反馈闭环回路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。如果接线正确，则在接通电源后，A1的输出v01为方波，A2的输出v02为三角波，微调RP1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节RP2，则输出频率连续可变。4.2.2 三角波正弦波变换电路的装调三角波正弦波变换电路的调试步骤如下：第一步差分放大器传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压Vid=50MV，fi=100的正弦波。调节RP4与电阻R*，使传输特性曲线对称。再

49、逐渐增大vid，直到传输特性曲线形状如图1-7所示，记下此时对应的峰值Vidm。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I0、VC1Q、VC2Q、VC3Q、VC4Q。它们的值计算如下：IC1Q= IC2Q = I0/2=0.565mA，VC1Q = VC2Q = VCC - IC1QRC1=6.35VVB1Q = VB2Q = ICRB1/=0.064V0V，VE1Q= VE2Q-0.7VVE3Q= VE4Q=- VEE-(- I0 RE3) =-9.74V，VB3Q= VB4Q= ICRE3/=0.018V0VVC4Q=- I0R*= -9.04V，VC3Q= -0.9V三角

50、波正弦波变换电路调试。将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度（经RP3后输出）等于Vidm值，这时V03的波形应接近正弦波，调整C6改善波形。如果V03的波形出现如图4-1所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因与采取的相应处理措施如下：钟形失真：如图4-1（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减少RE2。半波圆顶或平顶失真：如图4-1（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*。非线性失真：如图4-1（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。a）钟形失真 b）平顶失真 c）非线性失

51、真图4-1 几种正弦波失真4.2.3 自制电源的装调在对电源部分进行检测时，首先要把它与其它电路断开，然后再检查电路连接是否正确，在确定接线正确的情况下，先检查变压器，稳压管是否正常工作，所有检查结束后，最后通电用万用表电压档分部进行检测，看其电压是否为理论值。4.3 故障分析4.3.1 方波三角波发生器故障 故障一：在对方波三角波发生器电路进行检测时，在其输出端没有波形出现。刚开始怀疑芯片uA747有问题，但经检测后发现其能正常工作，并且电路接线正确。最后通过检测发现是电位器RP1与RP2出现问题，因为只有两者调整到设计值时，电路才能起振，即有波形输出，对两者进行调整后，示波器上有波形输出。

52、 故障二： 旋转分线器旋钮，输出端的波形没有频率的变化。经检测发现是分线器的公共端未与uA747的10脚相连，连接正确后频率可变。4.3.2 三角波正弦波发生器故障 在对差分放大器传输特性曲线调试完毕后，将RP3与C4相连，在其输出端观测到的波形如图所示，即产生钟形失真，理论上的原因是传输特性曲线的线性区太宽，应减少RE2来调节，但RE2是固定值，所以不是问题所在，调节RP3后，其输出波形接近正弦波，又由于电容C6用来改善波形，所以怀疑其大小对波形有影响。把其从1uF变换为0.1uF时波形有明显改善，钟形失真有所消失。4.3.3 电源部分故障 电源部分唯一的故障就是认为稳压管7912的引脚与7

53、812的引脚是一样的，造成接线错误。在用万用表对其进行检测时，各部分电压值与理论基本一样，即电路正确。结 论众所周知，函数信号发生器有很多用途且在很多方面得到广泛应用，而作为一个通信专业的毕业生更要对它有深刻的了解，所以进行函数信号发生器的设计有着十分重要的意义。经过本次设计，我学到了很多东西，得到了很多有价值的心得体会。从中我学习到了函数信号发生器的多种不同设计方案，并详细掌握了其工作原理。在本次设计中我选择了一个比较符合自己设计的方案，即采用晶体管、运放IC进行函数信号发生器的设计，用此方案进行设计的优点是：电路设计原理简洁，采用的元器件成本低廉，并能基本上实现函数信号发生器的功能，同时还

54、可以对我们以前所学的模电与数电知识进行很好的巩固，另外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与电路排版的能力。它的缺点就是采用分立元件组成的函数信号发生器工作不太稳定，且不易调试。随着毕业日子的到来，毕业设计也接近了尾声。经过不懈的奋战我的毕业设计终于完成了。在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。毕业设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重

55、要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次毕业设计，至今我仍感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次毕业设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。同时，我也看到了自己身上的不足。在产品设计初期，我开始设计的电路过于简单，不能满足设计的要求，这是我平时在学习时不深入的反映，平时也很少自主的进行电路设计方面的学习和训练

56、。在电路调试阶段，多次出现异常现象，我是在导师的悉心指导下排除故障的，自己独立排除故障能力较弱，以后要加强这方面知识的学习，提高自己在电路故障方面的分析能力。总之，短短几个月的毕业设计使我受益匪浅，它不仅增强了我分析问题、解决问题的能力，而且还提高了我的实际动手能力。它们是我在设计过程中得到的宝贵财富，会使我终身受益。致 我要感我的指导老师老师对我悉心的指导，感老师给我的帮助。在我毕业论文写作期间，各位老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀，没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计，借此机会，向您们表示由衷的感激。同时还要感系实验室在毕业设计期间提供给我们优越的实验

57、条件。另外还感同学为我的课题参数的细节问题到处联系，搜集数据并且提供了大量而又翔实的图纸和数据，并在我最为困惑迷茫的毕业设计初期给我信心和动力，替我指明了研究的方向，不断启发，循循善诱，这使我如沐春风，受益终身。还要感一直以来支持我鼓励我的好朋友，好同学，好室友。是你们为我营造了一个愉快而又严肃认真的学习和生活环境，令这段日子成为我终生最美好的回忆。转眼间大学生活即将结束，它短暂而充实，轻松而又惬意，它会在我以后的学习与工作中起到深远的影响！这四年里，敬爱的各位老师给了我无微不至的指导和帮助。他们在学术上的高深造诣、学风上的严谨、对学科发展的敏锐洞察力都令我敬佩不已，是我学习的楷模，他们对事业

58、孜孜以求的精神时时激励着我，他们对我的严格要求将令我授意终生。感激之情难以言表，在此谨向诸位恩师致以深深的意。参考文献1 自美.电子线路设计.华中科技大学,2000.52 黄永定.电子线路实验与课程设计.机械工业,2005.83 罗厚军,敏敏.经典集成电路应用手册.科学技术,2006.24钟穗生,旭光.实验数据的计算与处理.海洋,19945王建新.电子线路实践教程.科学,2004.16 国强.电子测量与仪器.中国劳动社会,2003.67 金发.电子电路设计分析实验测量技术实用手册.中国科技文化8 振源.电子技术基础.人民邮电,1999.59 黄军辉.电工技术.人民邮电,2000.610 林红.

59、数字电路与逻辑设计.清华大学,2000.311 瀚荪.电路分析基础.高等教育,1998.312 邵杰.“智能任意波形发生器”.机电学院学报,2000.213 雪飞,志安著.集成电路速查大全.电子科技大学14 郝鸿安.CMOS集成电路实用电路集.科学普与15 阎石.数字电子技术基础.高等教育16 杜虎林.数字万用表实用测量技法与故障检修.人民邮电,1999.1017 康华光.电子技术基础.高等教育,2004.618 Sergio Franco. Design with Operational Amplifiers and Analog Integrated Circuits. XianJiaotongUniversity Press,2004.819 Adel S.Sedra and Kenneth C.Smith. Microelectronic Circuits.3rd ed.CBSCollege Publishing. New York,199020C.Offelli, D.petri. Interpolation Techniques for Real-Time Multifrequency Waveform Analysis. J.IEEE Trans.IM,1990