函数发生器设计

多功能信号发生器设计

一、设计任务

设计一个多功能信号发生器，要有如下：

1、输出信号波形的形式：正弦波、三角波、方波、单次脉冲。

2、输出信号的频率：20Hz~2kHz，连续可调。

3、输出信号的幅度：1V P-P~10V P-P，连续可调；单次脉冲：低电平≤0.4V，高电平3.5~5V。

4、输出信号直流电平调节范围：-5V~+5V。

5、输出信号波形精度：正弦波失真度≤2%；三角波的线性度≤1%；方波信号的上（下）

升沿时间≤2μS。

二、设计方案分析

信号发生器在科学实验、电子测量、自动控制、设备检测、无线通讯等领域有着广泛的应用。信号发生器的基本功能是可以提供符合一定技术指标要求的电信号，其波形、频率、幅值均可以调节。实现信号发生器电路的方案很多，其特点也不同，主要有模拟电路实现方案、数字电路实现方案和模数混合实现的方案。

1、采用单片机控制技术实现的信号发生器

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存储在半导体存储器中，在需要某种波形时将储存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，输出该波形的信号。该方案优点是输出信号的频率稳定，抗干扰能力强，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出波形的相关信息。不足之处是由于单片机的处理数据的速度有限，当产生频率比较高的信号时，输出波形的质量将下降。

2、利用直接数字频率合成（DDS）集成芯片实现的信号发生器

随着大规模集成电路制作技术的发展，采用直接数字频率合成技术实现的信号产生集成芯片应用越来越广泛。DDS集成芯片内部主要由相位累加器、波形存储器、高速D/A转换器等环节组成，在时钟脉冲的控制下，相位累加器对输入的频率控制字不断进行累加得到相应的相位码，同时相位码序列作为地址信号去寻址波形存储器进行相位码到幅度码的转换，并输出不同的幅度编码。这一系列不同的幅度编码经过D/A转换器得到相应的阶梯电压信号，最后经过低通滤波器平滑，即可输出相应的信号。一般集成DDS芯片内部时钟脉冲的频率固定，其相位累加器位数也不变，所以只需改变频率控制字即可实现输出信号频率的变化。利用DDS集成电路设计的信号发生器具有输出频率高，频率稳定度高，输出频率分辨率高，易于实现全数字控制等优点，是目前设计高精度、高性能信号发生器的首选方案。目前典型的DDS集成芯片有AD9850、AD9851、AD9852和AD9834等。

3、利用专用函数发生器集成电路实现的信号发生器

利用集成函数发生器专用芯片可以方便的实现多种波形的输出，而且外围电路简单，调试容易。例如早期的函数发生器集成芯片有ICL8038、BA205、XR2206/2207/2209等，这些芯片的不足时输出信号的频率不高，最大仅有几百kHz，调节方式不灵活，频率和脉冲信号的占空比不能独立调节。MAX038是美国MAXIM公司推出的新一代单片函数信号发生器，MAX038内部含有精密带隙电压参考、鉴相器和TTL同步输出，可以采用较少的外部元件构成一台高频函数发生器，也可单独用作电压控制振荡器、频率调制器、脉宽调制器、锁相环、频率合成器和FSK信号发生器，它的主要特点有：0.1Hz~20MHz的输出频率调节范围，350：1的扫频范围，10%~90%的占空比调节范围，可以输出正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波等波形，且频率和占空比调节互不影响，是目前较为理想的函数发生器集成芯片。

4、采用分立器件组成的信号发生器

过去传统的信号发生一般采用这种方式，该方案一般采用集成运算放大器外加电阻、电容等元件，构成方波、三角波发生器，然后将三角波信号或方波信号转换成正弦波信号输出；也可以直接采用RC 正弦波信号发生器产生正弦波信号。该方案的缺点是输出信号频率较低，输出的波形质量差，输出频率调节范围小，电路复杂且体积大，但由于本设计的信号发生器要求输出信号的频率不高，再加上电子技术课程教学内容的限制，所以本设计可采用由集成运算放大器组成的信号发生器，该电路的组成框图如图 所示。

图1 多功能信号发生器组成框图

三、 主要单元电路参考设计 1、 压控方波—三角波产生电路

图2 压控三角波—方波发生器电路及输出波形图

输出信号频率可以通过调节电阻或电容来实现，也可以通过改变输入电压的大小来

完成，图 就是由集成运算放大器组成的压控方波—三角波信号发生器。该电路主要有A 1组成的积分器和A 2构成的施密特触发器组成，电路的工作原理为：在给定电路参数下，集成运算放大器A 1的同相端电位等于U i /2，假设由A 2构成的施密特触发器的输出u 02为 –V Z ，此时A 2的同相输入端电位为下门坎电压值Z T V R R R V ⋅+-

=-2

11

，三极管T 截止，给电容C

充电的电流为R

U i i

2=

，A 1的输出u 01线性下降。当u 01等于施密特触发器的下门坎电压V T-时，触发器翻转，u 02输出立即变为+V Z ，A 2的同相输入端电位立即变为上门坎电压值

Z T V R R R V ⋅+=

+2

11

，同时三极管饱和导通，假设三极管的饱和压降为零，则流过三极管的

电流等于2i ，所以流过电容C 的电流为 –i ，电容放电，A 1的输出电压u 01线性增大。当u 01增大到等于施密特触发器的上门坎电压V T+时，u 02输出立即变为 -V Z ，A 2的同相输入端电位再次变为下门坎电压，三极管截止，积分器电容再次被充电，这样周而复始，在u 01输出端可以可到标准的三角波，在u 02处可以得到正负对称、占空比等于50%的方波。输出波形图见图 。输出信号的频率计算如下：设电容的初始值为V T-，则在T 1内u 01输出电压表达式为：t RC

U V idt C V u i T T ⋅+=+

=--⎰21

01，当t=T 1时，u 01=V T+，所以 12T RC

U V V i

T T ⋅+

=-+ ，又因为21T T =，-+-=T T V V ，所以输出信号的频率： i Z

I T U CV RR R R U RCV T f ⋅+=⋅==

+1211881

21，可见输出频率与输入电压成正比。 参数选定：集成运算放大器选择高输入阻抗、宽带、高精度的运算放大器LF353。双向限幅稳压管选择5V/1W 的稳压二极管。电阻R 1=R 2=10kΩ。选择积分电容C=1000pF 的漏电小、稳定性好的电容。电阻R =100kΩ。所为当要求输入电压在0~5V 变化时，输出信号的频率为0~2.5kHz 。完全满足设计要求。电位器R P1是用于调整输出方波的占空比，调节R P1使输出方波的占空比为50%。为了使输出三角波的峰—峰值等于10V ，经运算放大器A 3放大后完成。实际电路如图 ，集成运算放大器的供电电源为±12V ，注意加入滤波电容。

三角波

方波

图3 三角波—方波信号产生电路

2、 三角波/正弦波转换电路

实现正弦波信号发生器的电路很多，可以通过RC 或LC 正弦波信号振荡器直接产生， 也可以将方波或三角波信号转换成正弦波，下面介绍利用三角波转换成正弦波信号的工作原理。图4所示电路是一个可变比例衰减器，随着输入三角波绝对值的增大，电阻r 按着一定的规律减小，反之r 则增大。如果这个变化规律符合三角波和正弦波的幅值间的比例，则在电阻r 上得到的是正弦波输出。