函数发生器电路设计

函数发生器电路设计
摘要：函数发生器是一种能够产生多种波形的仪器，已有相当长的发展历史。

它所提供的信号源是使用最广的通用信号源,给人们的教学、科研和生产检测都提供了强大的帮助,人们对它的研究也在不断进行。

本文设计的函数发生器将在一定频率范围内，采用比较器、积分器以及差分放大器等分立元件进行实现,具有电路设计简单、使用灵活、频率范围可以扩展等优点。

关键词：比较器，积分器，差分放大电路
Abstract: Function generator which can produce a variety of waveforms has a long history of development .The signal source which it provides is the most widely used general-purpose signal source, it can give powerful helps to the people on teaching, researching and production testing, and the study is going on .The function generator which design in this article use discrete components such as comparator, integrator and the differential amplifier to achieve at a certain frequency range. And it also has the advantages such as simple circuit design, flexible, frequency range can be extended.
Key words: comparators, integrators, differential amplifier
引言
函数发生器一般是指能自动产生多种波形的电路或者仪器。

它所提供的信号源是使用最广的通用信号源，如正弦波、锯齿波、方波、脉冲串等波形。

一台功能较强的函数波形发生器，不仅能够产生多种波形，还具有扫频及频率计等功能。

函数发生器在学生的实验、科研及设备检测中都有十分广泛的用途。

本文设计的函数信号发生器体积小、功耗少、价格低，最主要的是它的输出波形较为灵活，可供选择。

1 函数发生器的基本原理
函数发生器的电路形式可以采用由运放及分离元件构成，也可以采用单片集成函数发生器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本设计采用由集成运放及分离元件构成的方法来设计函数发生器，使其能够产生三种波形，即方波、三角波和正弦波。

函数发生器的原理框图如图1所示。

研究方向：电路与系统
图1 函数发生器的原理框图
从图1中可以看出，函数发生器主要由比较器、积分器和正弦变换器组成。

这里的比较器主要是采用迟滞比较器。

由比较器产生的方波通过积分电路变换成三角波，积分电路中的电容的充、放电时间决定了三角波的频率。

这里迟滞比较器、积分电路和反馈网络组成了振荡器，积分器产生的三角波送到比较器的输入端，经过比较器又产生方波。

积分器产生的三角波送到差分放大电路的输入端，利用差分放大器传输特性曲线的非线性特性将三角波转换为正弦波[1]。

在本次的设计中，要求要有两个频率波段（1~10Hz,10~100Hz）生成，因此在积分电路中采用单刀双掷开关来切换两个容量不同的积分电容，实现两个频率范围之间的转换。

2 各部分电路设计
2.1方波——三角波转换电路设计
下面主要介绍由方波到三角波的转换。

图2中，模拟信号经过迟滞比较器输出方波信号，若要生成三角波信号，只需将迟滞比较器的输出端通过R4接到积分器的反相输入端。

由此利用迟滞比较器和积分电路可组成方波——三角波转换电路，如图3所示。

图2方波——三角波转换电路
由图2可见，信号Uo1接入积分器的反相输入端。

此反相积分器由运算放大器IC2与电阻R4、R5、RP2及电容C2、C7组成，R5为平衡电阻。

从而可得积分器的输出Uo2为：
当Uo1=+VCC时，电容C2被充电，电容电压UC2的上升规律为线性上升，Uo2与UC2的极性相反，则
即Uo2线性下降。

当Uo2（即Ui）下降到Uo2=UTH2时，比较器IC1的输出Uo1状态发生翻转，即Uo1由高电平+VCC变为低电平-VEE，于是电容C2放电，电容电压UC2线性下降，
即Uo2线性上升。

当Uo2（即Ui）上升到Uo2=UTH1时，比较器IC1的输出Uo1状态又发生翻转，即Uo1由低电平-VEE变为高电平+VCC，电容C2又被充电，周而复始，不停地振荡。

Uo1输出是方波，Uo2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3所示。

图3三角波与方波的关系图
2.2三角波——正弦波转换电路设计
三角波——正弦波的波形变换原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图4所示。

图4 差分放大电路实现三角波-正弦波变换的原理图
由图4可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄，则输出的正弦波形越好；三角波的幅度ΔUTH应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。

差分放大器工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，可以有效地抑制零点漂移。

利用差分放大器可将低频率的三角波变换成正弦波。

这里选择的差分放大电路形式如图5所示。

图5 差分放大电路
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
式中≈为差分放大器的恒定电流；UT为温度的电压当量。

当室温为25℃时，UT≈26mV。

根据理论分析，如果差分电路的差模输入Uid为三角波，则IC1与IC2的波形近似为正弦波。

因此，单端输出电压Uo3也近似于正弦波，从而实现了三角波到正弦波的变换。

在图5所示的电路中，电位器RP3用于调节输入三角波幅度，RP4用于调节电路的对称性，RE1可以减小差动放大器传输特性的线性区。

电容C3、C4和C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

3结论
本文用到的有抗干扰能力强的迟滞比较器，积分器和差分放大电路。

其设计难点主要是在三角波到正弦波的变换上。

这里主要是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性来进行波形的变换。

此外，还有多种方法可实现这一变换。

如可以用二极管折线近似电路或单片集成函数发生器实现变换。

这些方法可根据设计要求的不同进行选择应用。

另外，在信号频率段的控制上，本设计实现了在两个不同的频率段之间的切换。

那么根据主要原理，多个频率段之间的切换同样可以实现，只需要采用一个多路的模拟开关，通过参数计算，选择不同的电容值即可。

参考文献
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。