函数发生器实验设计报告

《函数发生器设计实验》实验报告小组成员：黄文成习灿方丹指导老师: 刘亚琪湖北经济学院电子工程系2012．12摘要：函数发生器是一种多波形的信号源，它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波、甚至任意波形。

当调节外部电路参数时，可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。

有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。

可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛用于医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等领域。

一、方案设计与论证方案（一）设计一个集成电路，由运算放大器ＮＥ５５３２及分离元件构成，第一部实现方波――三角板产生电路，第二部分利用差分放大电路实现三角波--正弦波的变换。

方案（二）利用单片集成芯片的函数发生器。

方案（三）利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器。

方案论证与选定方案（一）电路的性能好，而且使用能力强，工作范围大，可以直接对其进行调频调幅，但它对焊接工艺有一定要求。

方案（二）能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试，但这种方案要求幅度和频率都可调。

方案（三）能产生任意波形并达到很高的频率，但成本较高。

综合考虑上述各种因素，由于实验室条件和成本的限制，从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案（一）为我们最终的设计方案。

二、 电路设计性能指示要求 输出波形 方波、三角波 、正弦波；频率范围 1Hz~10Hz, 10Hz~100Hz;输出电压 方波V p-p ≤24V ，三角波V p-p =8V ，正弦波V p-p ＞1V ；波形特性 方波t r ＜1μs(1kHz ，最大输出时)非线性失真系数：三角波γ△＜2%，正弦波γ~＜5%函数发生器组成框图函数发生器实验电路图采用如图所示电路，其中运算放大器A 1与A 2用一只双运放μA747，差分放大器采用本章第三节设计完成的晶体管单端输入— 单端输出差分放大器电路。

因为方波的幅度接近电源电压，所以取电源电压+V CC = +12V ，–V EE = –12V比较器积分器差分放大器v o1+12V 1312 4 R 3 20k Ω –12V 47k Ω10k ΩR 22 R 1 10k Ω1RP 2 R 4 5.1k Ω100k Ω76 R 5 10k Ω A 1 A 29 4C 1 10μF＋＋SC 2 1μF +12Vv o210 ＋ C 3 470μFRP 347k Ω＋C 4 470μFR B1 6.8k ΩT 1R C1 10k Ω+12VR C2 10k Ω C 6* 0.1μFC 5 ＋470μFv o3 R B2 T 26.8k Ω 100Ω RP 4R E2 100ΩR E3 2k Ω T 3T 4 R E4 2k ΩR 8k ΩBG319–12VμA7471 2μA7471 2–12V RP 1 A 1 A 2 * －＋ – +（一）方波—三角波产生电路电路如图所示，集成运放A 1与R 1、 R 2 、R 3、 RP 1组成电压比较器。

运放的反相端接基准电压，即V –=0; 同相端接输入电压v ia ；比较器的输v o1的高电平等于正电源电压+V CC ，低电平等于负电源电压–V EE (∣+V CC ∣=∣–V EE ∣) 。

当输入端V + =V- =0 时，比较器翻转，V 01从+Vcc 跳到-Vee ，或从-Vee 跳到＋Vcc 。

a 点断开后，运算放大器A 2与 R 4、RP 2、 R 5 、C 2 组成反相积分器；a 点闭合，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波，其波形如下图所示：当比较器的门限电压为 V ia+ 时输出V o1为高电平（+Vcc)。

这时积分器开始反向积分，三角波V o2 线性下降；当V o2下降到比较器的下门限 电 位 V ia － 时，比较器翻转，输出V o1由高电平跳到低电平。

这时积分器又开始正向积分，V o2线性增加。

如此反复，就可自动产生方波――三角波。

＋V CCR 2R 3+RP 1 V EE–R 2R 3+RP 1 o－V EEtTT 2T 4v ov o1 v o2计算元件参数比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：取R2=10kΩ，取R3=20kΩ, RP1=47k,平衡电阻R1= R2//(R3+RP1)≈10kΩ由输出频率的表达式得当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10μF，R4=5.1kΩ，RP2=100kΩ；当 10Hz≤f≤100Hz时，取C2=1μF，以实现频率波段的转换；R4及RP2的取值不变，取平衡电阻R5=10kΩ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=470μf，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0.1μF。

RE2=100Ω与RP4=100Ω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。

（二）三角波—正弦波变换电路①R B16.8kΩR C110kΩ＋12V＋V CCR C210kΩR L20kΩRB26.8kΩT1T2RP147Ωi0②T3T4RP210kΩ5.1kΩR E42kΩR E32kΩ－V EE－12VBG319已知性能指标 R id ＞20k Ω，A VD ≥20，K CMR ＞60dB ，根据要求K CMR ＞60dB ，即要求电路的对称性要好，应采用集成差分对管BG319（ BG319内部有4只特性完全相同的管子）或挑选三极管性能参数较一致的3DG130、3DG100等。

根据题目要求，采用具有恒流源的单端输入—双端输出差分放大电路，如上图所示设置静态工作点并计算元件参数T 1、T 2、T 3、T 4为BG319的4只晶体管，β1=β2=β3=β4=60 静态工作点Q 点主要由恒流源i 0值决定，一般先设定I 0， I 0越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高，但不能太小，一般为几毫安，故取I 0=1mA 。

I R = I 0=1mA ，I C1= I C2= I 0/2=0.5mA要求R id ＞20k Ω R id =2(R B1+ r be )＞20k Ω 则R B1＞6.6k Ω 取R B1= R B2=6.8k Ω 要求A VD ＞20 取A VD =30故取R C1= R C2=10k Ω 计算恒流源电路参数：R +R E =11.3k Ω取R E3= R E4=2k Ω，则R =9.3k Ω，为方便调整I 0，R 用5.1k Ω电阻与10k Ω电位器RP 2串联。

T3、T4静态工作电压VB3= VB4= -IR*R= -9.3V VE3= VE4= VB3 – 0.7= -10V为了方便调整电路的对称性，故需要在T 1、T 2两管的射极接入一 阻值较小的电位器RP 1。

{}Ω=⋅++Ω=K 4.3mA2/I 26mV)1(300mA 0be βr 20beB1LVD >+'-=r R R A βΩ='k R 1.5L则)2///(LL C R R R ='Ω='-⋅'=k 4.10)2/()2/(LL L LC R R R R R EEE 0R V7.0R R V I I +--==三、调试与测试结果Proteus仿真实验图仿真波形图1.方波—三角波发生器的装调由于比较器A 1与积分器A 2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路需同时安装。

要注意的是，在安装电位器RP 1与RP 2之前，先将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。

如果电路接线正确，则在接通电源后，A 1的输出v o1为方波，A 2的输出v o2为三角波，在低频点时，微调RP 1，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，再调节RP 2，则输出频率连续可变。

误差分析1）、方波输出电压V p-p ≤2V CC ，是因为运放输出级由NPN 型或PNP 型两种晶体管组成的复合、互补对称电路，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，使方波输出幅度小于电源电压值。

2）、方波的上升时间t r ，主要受运放转换速率的限制。

如果输出频率较高，则可接入加速电容C 1(C 1一般为几十皮法)。

可用示波器(或脉冲示波器)测量t r 。

2.差分放大电路的测试用电压表测量T 3、T 4射极电压， 并调节RP 2使I 0的值为1mA, 则 V E3=V E4≈-V EE +I R *R E3= -10V ；用电压表测量T 1、T 2的集电极对地电压V C1Q 、V C2Q 调整RP1，使其满足VC1Q= VC2Q 并测量T1、T2基极和发射极对地电压； 技术指标的测量值为R id =2(R B1+ r be )+βR P1 =23.22k Ω28idC2C1VD =+=V VV A 0icC2C1VC ≈-=V VV A ∞≈=VCVDCMR lg20A A K Ω=-=k 3.23is iid R V V V R Ω=++Ω=k 4.3mA/2)(mV26)1(3000be I r β4.2521*1be B1LVD =++'-=/R r R R A P ββ0icC2C1VC ≈-=V V V A ∞≈=VCVDCMR lg20A A K*示波器实际波形及电路图面包板波形图焊接电路板波形图面包板电路焊接电路四、心得体会通过这次的学习，我们得到了很多课本上学不到的知识。

这次学习不仅增加了我们的理论知识，同时也让我们的理论知识得到了应用，给我们提供了一个实践的平台，让我们在实践中得以验证理论。

通过这几个星期的一起探讨、一起工作、一起烦恼、一起欢笑，也让我们理解了团队的意义。

这个示波器从理论知识的层面再到实物的成型，然后再调出想要的结果，其间，我们有高兴、也有失落。

在科学的领域，现实与理论永远存在着不可逾越的鸿沟。

不管你的电路在理论上有多么的完美，不管你在仿真软件上显示出来的结果有多么令人骄傲，但它不是现实。

现实总是会在你升到最高处时狠狠把你摔下。

虽然我们近乎完美地把理论电路拼接成了实际电路，但好事多磨，现实总要想办法来调戏你一下。

示波器上居然连一个失真的波形都没有，更别说出现一个标准的波形了（有了失真的波形就有了产生完美波形的希望）。

自此，我们开始全力检查、猜测并查找电路中可能存在的问题。

在理论与实物的转换过程中，我们遇到了不少的困难。

对于电路的调试阶段，我们主要遇到的问题是：波形不稳定、波形失真较严重等问题。

刚开始因为是焊接的插槽，有些器件接触不良，导致电路无法正常工作，波形无法出来这是一个原因。

焊接完整的电路（主要是指电路能正常工作），要想调出达标的波形，主要还是要调节RP1、RP2、RP3，这三个电位器，RP1主要是调节三角波，矩形波的幅度和频率，RP2是调节三角波和矩形波的频率，当正弦波出现失真或者变成三角波，这是应该要调节RP3。