函数信号发生器实验报告

青海师范大学课程设计报告课程设计名称：函数信号发生器专业班级：电子信息工程学生姓名：***学号：***********同组人员：郭延森安福成涂秋雨指导教师：***课程设计时间：2015年12月目录1 设计任务、要求以及文献综述2 原理综述和设计方案2.1 系统设计思路2.2设计方案及可行性2.3 系统功能块的划分2.4 总体工作过程3 单元电路设计3.1 安装前的准备工作3.2 万用表的安装过程4 结束语1设计任务、要求在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路称为函数信号发生器，又名信号源或振荡器。

函数信号发生器与正弦波信号发生器相比具有体积小、功耗少、价格低等优点, 最主要的是函数信号发生器的输出波形较为灵活, 有三种波形（方波、三角波和正弦波）可供选择，在生产实践，电路实验，设备检测和科技领域中有着广泛的应用。

该函数信号发生器可产生三种波形，方波，三角波，正弦波，具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能，其产生频率信号范围1HZ～100kHZ，输出信号幅值范围0～10V，信号产生电路由比较器，积分器，差动放大器构成，频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成。

幅值输出部分由峰值检测电路和芯片7107等构成。

技术要求：1. 信号频率范围 1Hz～100kHz；2. 输出波形应有：方波、三角波、正弦波；3. 输出信号幅值范围0～10V；4. 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。

2原理叙述和设计方案2.1 系统设计思路函数信号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，其电路中使用的器件可以是分离器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成器件（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。

产生方波、正弦波、三角波的方案也有多种，如先产生方波，再根据积分器转换为三角波，最后通过差分放大电路转换为正弦波。

频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。

产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。

2.2设计方案及可行性方案一：采用传统的直接频率合成器。

首先产生方波—三角波，再将三角波变成正弦波。

方案二：采用单片机编程的方法来实现（如89C51单片机和D/A转换器，再滤波放大），通过编程的方法控制波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率变换。

方案三：是利用ICL8038芯片构成8038集成函数发生器，其振荡频率可通过外加直流电压进行调节。

经小组讨论，方案一比较需要的元件较多，方案二超出学习范围，方案三中的芯片仿真软件中不存在，而且内部结构复杂，不容易构造，综合评定，最后选择方案一。

2.3系统功能块的划分该系统应主要包括直流稳压电源，信号产生电路，频率显示电路和电压幅值显示电路四大部分。

直流稳压电源将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压，信号产生电路产生的信号，经过适当的整形，作为频率显示电路的输入，从而达到了数字显示频率的要求；产生的信号经过幅频显示部分（峰值检测电路和数模转换），便实现了幅值数字显示。

2.4 总体工作过程先由反相输入的滞回比较器和RC电路组成方波发生电路，然后方波经积分器得到三角波，由差分放大器来完成三角波到正弦波的变换电路。

频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成，整形好的三角波或正弦波脉冲输入该电路，与时基电路产生的闸门信号对比送入计数器，最后由数码管可显示被测脉冲的频率。

产生的3种波经过一个可调幅电路，由于波形不断变化，不能直接测出其幅值，得通过峰值检测电路测出峰值（稳定的信号幅值保持不变），然后经过数字电压表（由AD转换芯片CC7107和数码管等组成），可以数字显示幅值。

3单元电路设计一、信号产生电路1.函数发生器总方案函数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路或仪器。

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（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用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—正弦波函数发生器的设计方法，如图。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路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，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，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曲线的非线性。

函数发生器组成框2 各组成部分电路的工作原理① 方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和RC 电路组成。

RC 回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC 充、放电实现输出状态的自动转换。

设某一时刻输出电压0U =+ Z U ,则同相输入端电位p U =+ t U 。

0U 通过R3对电容C 正向充电，如图中实线箭头所示。

反相输入端电位n 随时间t 的增长而逐渐增高，当t 趋于无穷时，n U 趋于+ Z U ；但是，一旦n U =+ t U ,再稍增大，0U 从+ Z U 跃变为- Z U ,与此同时p U 从 t U 跃变为- t U 。

随后，0U 又通过R3对电容C 反向充电，如图中虚线箭头所示。

n U 随时间逐渐增长而减低，当t 趋于无穷大时，n U 趋于- Z U ；但是，一旦n U =- t U ,再减小，0U 就从- Z U 跃变为+ Z U ，p U 从- t U 跃变为+ t U ，电容又开始正相充电。

上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

② 方波—三角波转换电路的工作原理图2—2 方波—三角波转换电路图2—2所示的电路能自动产生方波—三角波。

工作原理如下：若R2左断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1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U-=0，同相输入端接输入电压ia U ，R1称为平衡电阻。

比较器的输出01U 的高电平等于正电源电压+ cc V ，低电平等于负电源电压- ee V （|+ cc V |=|- ee V |）, 当比较器的U+=U- =0时，比较器翻转，输出01U 从高电平跳到低电平- ee V ,或者从低电平ee V 跳到高电平cc V 。

设01U =+cc V 则312231231()0CC ia R RP R U V U R R RP R R RP ++=++=++++将上式整理，得比较器翻转的下门限单位ia U -为223131()CC CC ia R R U V V R RP R RP ---=+=++若01U = -ee V ,则比较器翻转的上门限电位ia U +为223131()EE CC ia R R U V V R RP R RP +-=-=++比较器的门限宽度2312H CC ia ia R U U U V R RP +-=-=+由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图2—3所示图2—3 比较电压传输特性 图2—4 方波、三角波的转化R2左端断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为214221()O O U U dt R RP C -=+⎰ 1O CC U V =+时，2422422()()()CC CCO V V U t t R RP C R RP C -+-==++1O EE U V =-时，2422422()()()CC EE O V V U t tR RP C R RP C --==++可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图2—4所示。

R2左端闭合，既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2231O m CC R U V R RP =+方波-三角波的频率f 为3124224()R RP f R R RP C +=+由以上两式可以得到以下结论：a) 电位器RP2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。

若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。

b) 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc 。

三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc 。

电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

③三角波—正弦波转化电路的工作原理三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器，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曲线的非线性。

分析表明，传输特性曲线的表达式为： 011/1id TC E U U aI I aI e -==+ 式中 /1C E a I I =≈0I ——差分放大器的恒定电流； T U ——温度的电压当量，当室温为25°C 时，T U ≈26mV 。

如果id U 为三角波，设表达式为44434m id m U T t T U U T t T ⎧⎛⎫- ⎪⎪⎪⎝⎭=⎨-⎛⎫⎪- ⎪⎪⎝⎭⎩022T t T t T ⎛⎫≤≤ ⎪⎝⎭⎛⎫≤≤ ⎪⎝⎭式中，m U —三角波的幅度；T —三角波的周期。

图2—5 三角波—正弦波变换为使输出波形更接近正弦波，由图可见：a)传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；b)三角波的幅度Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

图2—6为实现三角波—正弦波变换的电路。

其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。

电容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。

图2—6三角波—正弦波变换电路2. 计频显示电路测量正弦波、方波、三角波的频率，利用施密特触发器将输入信号整形为方波，并利用计数器测量1s内脉冲的个数，利用锁存器锁存，稳定显示在数码管上。