函数信号发生器的设计参考(LM747CN)

函数信号发生器的设计与制作
函数信号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子仪器。

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（如视频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块5G8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及设计、调试技术，本课题要求设计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。

一、设计任务书
1．设计课题
函数信号发生器设计。

2.主要技术指标
1）输出波形：正弦波、方波、三角波等
2）频率范围：10～100Hz，1000H Z～１０KＨz
3) 输出电压：方波U p-p=24V，三角波U p-p=6V，正弦波U>1V；
4) 波形特征：方波t r<10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD<2%，正弦波失真系数THD<5%。

二、设计过程举例
1.课题分析
根据任务，函数信号发生器一般基本组成框图如图1所示。

读者可参阅有关参考资料，具体分析工作过程。

图1 函数信号发生器框图
2．方案论证
（1）确立电路形式及元器件型号
1）方波-三角波电路
图2所示为产生方波-三角波电路。

工作原理如下：若a点短开，运算放大器A1与R1、R2及R3、R P1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。

图2方波-三角波产生电路
由图2分析可知比较器有两个门限电压
CC th V RP R R U 1
321+-= CC th V RP R R U 1322+=
运放A2与R 4、R P 2、C 2及R 5组成反相积分器，其输入信号为方波U o1时，则输出积分器的电压为
t U C RP R U o o d )(112142⎰
+-= 当U o1=+V CC 时
t C RP R U o 2
14CC 2)(V +-= 当U o1=-V EE 时
t C RP R U o 2
14EE 2)(V += 可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图3所示。

图3 方波-三角波波形
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。

三角波的幅度为
CC 1
322V RP R R U m o += 方波-三角波的频率为
2
14213)(4C RP R R RP R f ++= 由上分析可知：
①电位器R P 2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。

②方波的输出幅度应等于电源电压。

三角波的输出幅度应不超过电源电压。

电位器RP 1可实现幅度上下微调，但会影响波形的频率。

2）三角波→正弦波的变换
三角波→正弦波的变换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、抗干扰能力强等优点。

特别是做直流放大器时，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的非线性。

其非线性及变换原理如图4所示。

图4 三角波→正弦波的变换原理
① 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
② 三角波的幅度U m 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

图5为三角波→正弦波的变换的电路。

其中R P 1调节三极管的幅度，R P 2调整电路的对称性，其并联电阻R E2用来减少差分放大器的线性区。

电容C 1、C 2、C 3为隔直电容，C 4为滤波电容，以减少滤波分量，改善输出波形。

图5 三角波→正弦波变换电路
整个设计电路采用如图6所示。

其中运算放大器A 1、A 2用一只双运放μA747，差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管BG319或双三极管2SC9011、9013等。

取电源电压为±12V 。

2）计算元件参数
比较器A 1与积分器A 2的元件参数计算如下：
由于
CC 1
322V RP R R U m o +=
因此 3
1124V cc o2m 132===+U RP R R 取R 3=10k Ω,则R 3+RP 1=30 k Ω，取R 3=20k Ω, RP 1为47 k Ω的电位器。

取平衡电阻R 1=R 2//（R 3+RP1）≈10 k Ω。

因为
2
14213)(4C RP R R RP R f ++= 当1Hz ≤f ≤10Hz 时，取C 2=10μF ，则R 4+R P 2=（75~7.5）k Ω，取5.1 k Ω，RP 2为100 k Ω电位器。

当 19Hz ≤f ≤100Hz ，取C 2=1μF 以实现频率波段的转换，R 4、R P 2的值不变。

取平衡电阻R 5=10 k Ω。

三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C 3、C 4、C 5要取得大，因为输出频率较低，取C 3=C 4=C 5=470μF ，滤波电容C 6一般为几十皮法至0.1μF 。

R E2=100Ω与R P 4=100Ω，相并联，以减少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RP 4及电阻R *确定。

3．方波-三角-正弦波函数发生器电路图
根据以上设计，并将计算结果应用于电路中，可画出实际方波-三角-正弦波函数发生器电路原理图如图6所示。

图6方波-三角-正弦波函数发生器电路图
4．安装与调试
图6所示方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。

（1）方波-三角波发生器的装调
由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。

需要注意的是，安装电位器R P1与R P2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10KΩ，RP2取（2.5~70）Ω内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调R P1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节R P2,则输出频率在对应波段内连续可变.
（2）三角波-正弦波变换电路的装调
按照图6所示电路，装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。

电路的调试步骤如下：
1）经电容C4输入差模信号电压u id=500mV，f i=100Hz的正弦波。

调节R P4及电阻R*，使传输特性曲线对称。

再逐渐增大u id，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的u id，即u idm值。

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、U c1、U c2、U c3、U c4。

2）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u idm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。

如果U03的波形出现如图4.2.21所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：
①钟形失真如图7（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小R E2。

②半波圆顶或平顶失真如图7（b）如示，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*。

③非线性失真如图图7（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能的影响。

可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。

图7 几种正弦波失真
3）性能指标测量与误差分析
①方波输出电压U P-P≤2V CC是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。

②方波的上升时间t r，主要受运算放大器转换速率的限制。

如果输出频率较高，可接入加速电容C1（图2），一般取C1为几十皮法。

用示波器或脉冲示波器测量t r。