函数发生器

一、设计题目
函数发生器的设计。

二、设计要求
设计一个智能函数发生器，能够以稳定的频率产生的递增的斜波、递减斜波、三角波、正弦波和方波。

设置一个波形选择开关，通过此开关选择以上不同种类的输出波形。

三、设计作用与目的
各种电器设备要正常工作，常常需要各种波形信号的支持。

电器设备中常用的信号有正弦波、矩形波、三角波和锯齿波等。

在电器设备中，这些信号是由波形产生和变换电路来提供的。

波形产生电路是一种不需外加激励信号就能将直流能源转化成具有一定频率、一定幅度和一定波形的交流能量输出电路，又称为振荡器或波形发生器。

在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，在工业、农业、生物医学等领域内等等。

波形发生器由时基电路，积分电路，差分放大电路三部分电路组成，时基电路产生方波，再通过积分电路将方波转化为三角波，最后由差分放大电路将三角波转化为正弦波，通过借助Multisim2011平台最各部分电路进行仿真，验证了该波形发生器方案的正确性、可用性。

四、所用设备及软件
本设计除了需要计算机,实验设备两款软件：作图软件Altim Desinger、仿真软件Multisium。

简介如表1所示。

五、系统设计方案
三种波形都是比较简单且常见的波形，产生的方法由很多种，可以先产生方波，然后得到三角波和正弦波，也可以先得到正弦波，然后翻过来再输出另外两种波形;可以用集成芯片，同时也可以用运用各种元器件来实现振荡电路。

方案一：用分立元件组成的函数发生器。

方案二: 晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。

早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等。

方案三：利用单片集成芯片的函数发生器。

方案四：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器。

方案五：由555定时器所构成的多谐振动器产生方波, 方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。

5.1方案分析
方案一：频率不高，且工作不很稳定，不易调试
方案二：它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

方案三：虽能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试，但成本也相对比较高；
方案四：利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。

但成本较高。

方案五：过程相对来说比较繁琐，但是思路很明亮，同时，555定时器所构成的多谐振动器产生方波是一种和常用的信号产生器，很具有实用价值，同时，也很容易买到，同时选用改进的555多谐振荡形式产生方波可以通过调节可调电阻的阻值来调节产生方波的频率，产生的方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，可以有效地抑制零点漂移因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

本着可控、可稳、经济性的原则，第三种方案较实际。

用改进过的555多谐振荡形式产生方波，经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波，电路的总原理图如附录3。

六、系统硬件设计
pH 5566t R R Cln20.7R R C
=+≈+（）（）图6.2方波发生电路图
6.1波形发生器电路的总框图
6.2方波发生电路
接通电源后，电容C4被充电，当上升到2Vcc 3
时，使Vo 为低电平，同时放电三极管T
导通，此时电容C4通过R5和T 放电，当c v 下降到
Vcc
3
时，Vo 翻转为高电平。

这时电容C 放电所需时间为： PL
22 t
R Cln 0.7R C =≈；
当放电结束时，T 截止，Vcc 将通过R 5、R 6向电容C
充电，c v 由Vcc 上升到2Vcc
3
所需时间为：
当上升到
2Vcc
3
是，电路有翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

其震荡频率以及占空比为：
图6.1原理框图
6.3三角波发生电路
由积分器实现方波-三角波的转化发生电路如图6.4。

%100%
A
A B
R q R R =⨯+pH 56
11.43f C t t R 2R pL =
≈++
1
R 1
C 2
C i
U 2
R
如图6.5是一个由方波转换为三角波的电路图及其输出波形 当A 很大时，运放两输入端为"虚地"，忽略流入放大器的电流， 令输入电压为Vi 输出为Vo ，流过电容C 的电流为i1则 ，
有: 0111-i v i dt v dt C CR
≈≈-⎰⎰ 即输出电压与输入电压成积分关系，i v
当为固定值时
有：0i
v v t CR
≈-
上式表明输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。

当i v
为矩形波时，
0v 便成
为三角波。

此外，由于滤波电容的存在，滤除了其他波的干扰。

提高了系统的抗干扰性。

6.4正弦波发生电路
由差分放大电路构成的正弦波发生电路图2.6。

分析表明，传输特性曲线的表达式：
v i
v 2
c 4
c 1R 2
R 4
R 5
R 6
R 7
R 8
R 10
R 1
V 2
V 3
V 4
V 6
C 7
C 1
P R 2P R 图6.6正弦波发生电路图
图6.5方波输出三角波
a i = 1+exp(-U /U )
I
c i
d t
I ——差分放大器的恒定电流； U t ——温度的电压当量，当室温为250C 时，U t ≈26mV 。

如果Uid 为三角波，设表达式为
()()
4U t T /4U t T
m id -=
(0<=t<=T/2)
()()4U t 3T /4U t T
m id -= (T/2<=t<=T)
式中 U m —三角波的幅度；
T —三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波：
（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。

（2）三角波的幅度Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3）如下图 2.7为实现三角波—正弦波变换的转化图。

1R p 调节三角波的幅度，2P R 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C6,C7为隔直电容，C7为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

隔直电容C6、C7要取得较大，因为输出频率很低，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。

8R =100k 欧与2P R =100k 欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区
七、实验调试结果
7.1仿真调试工具
Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作，具有大量的PLC元件模型，可以仿真更复杂的数字电路，在保留了EWB形象直观等优点的基础上，增强了软件的仿真测试和分析功能，扩充了元件库中的元件的数目，使得仿真设计的结果更精确、更可靠、更具有实用性。

7.2方波发生电路仿真
方波发生电路核心元件是555定时器，通过改变滑动电位计，来改变输出波形的占空比，以及频率得到仿真波形图以及仿真数据表。

图7.1方波仿真图
表1：方波发生仿真数据
f（kHz） 2.822 3.326 2.325 2.324 2.271 2.271 Uo（V） 5.131 5.395 5.804 5.824 5.824 5.824
Rp1（%）0 20 40 60 80 100
7.3 三角波发生电路仿真
三角波发生器主要由积分器组成，通过调节滑动电位计来改变三角波的输出幅度，
仿真波形如图7.2。

7.4正弦波发生电路仿真
正弦波发生电路由差分放大电路组成，RP2调节三角波的幅度，RP3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，通过测试得到如图7.3。

7.5总电路仿真波形
将三部分单独的模块组合在一起，然后调节个电位计，得到三种波形如图7.4
图7.2三角波仿真图
图7.3发生正弦波仿真图
7.6 设计中的问题及解决方法
函数发生器系统的设计一路走过来磕磕碰碰经历了不少，遇到了很多的意想不到的麻烦以及很多困惑，下面谈2个关键的问题。

首先是555的原理问题，之前并没接触555处理器，开始在网上一搜资料发现555不是想象中的容易，为攻克此难关花了大量来的时间去搜集资料，学校的数字图书馆看了大量的文献以及期刊，以及问了好多同学，尽管现在还不是很清楚，但是基本原理心里有数了，其二是电路的仿真，由于开始参数没调对，而误以为是由于Multisim 一些设置没调好，一直花了大把的时间放在了Multisim 上学习，最后通过查阅大量的资料才知道是参数的设置的问题，当然也值得一提的是文档的排版问题，虽然之前对排版也接触不少，可是这设计的排版中还是遇到了许多问题，比如图片的格式设置中，总是出现图片拉不到自己要的位置等等，最后请教室友，在网上看了Word
的视频后终于把问题解决了。

图7.4 总电路仿真波形
八、设计心得
函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。

可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。

波形发生器是产生方波，三角波，正弦波的函数发生器，整个电路由方波发生电路，三角波发生电路，正弦波发生电路组成，由555电路组成的多谐振荡器，接通电源后，产生一定频率和幅值的脉冲信号即方波，方波作为积分器的输入端再经过积分器的作用，将方波转化为三角波，最后三角波作为差分放大电路的输入端，利用差分放大器的传输特性曲线的非线性的原理，将三角波转化为正弦波，通过调节电路的个电位计，来控制波形的再可调范围内的幅值以及频率，同时为减小杂波的干扰，在各输入端都接入了滤波电容，最后将各个电路整合到一起，也就完成了一个简易函数发生器。

通过这次课程设计使我明白了自己专业知识还很欠缺。

自己要学习的东西还很多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都容易懂，有点眼高手低。

通过这次课程设计，我才明白有些东西自己想与自己去做事两码事，在这次的设计中也遇到了很多的问题，比如函数发生器的原理问题，之前并没接触555的具体运用，开始在网上一搜资料发现555不是想象中的容易，但正是这些难题成就了我的收获，通过解决这些难题过程中一方面提高了自己的自学能力以及思考能力解决问题能力，另一方面通过查资料请教学长开阔了自己的专业方面的见识，比如认识了555还有许多其他的用途以及原理，了解了555芯片在实际应用是如此的广泛，这也激发了我学习的动力和兴趣，当然学习无止境，这些知识、这些收获还是远远不够的，在今后的学习与课余中我将继续努力学习专业知识，为以后工作打下坚实的基础。

参考文献
[1]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.
[2]康华光.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2005.
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[4]韩雪涛，韩广兴，吴瑛.电子单元电路应用与实测技能演练[M].北京：电子工业出版社，2009.
[5]陈学平.《Atium Designer Summer 09》电路设计与制作:电子工业出版社，2012.
[5] http:// .
[6] .
[7]
附录1 波形发生器元件明细表
附录2 555定时器介绍
在数字电路中,常常需要一种不需外加触发脉冲就能够产生具有一定频率和幅度的矩形波的电路。

由于矩形波中除基波外,还含有丰富的高次谐波成分,因此我们称这种电路为多谐振荡器。

它常常用作脉冲信号源。

多谐振荡器没有稳态,只具有两个暂稳态,在自身因素的作用下,电路就在两个暂稳态之间来回转换。

一、电路组成结构图如下图
NE555芯片由四部分组成：
（1）三个阻值5k Ω的电阻组成的分压器； （2）两个电压比较器C1和C2； V+>V-, o v =1；
V+<V-, o v =0；
（3）基本RS 触发器；
（4）放电三极管V 及缓冲器G ；
二、各引脚的作用
1引脚：接地端，与地相接； 2引脚：触发输入端； 3引脚：输出端；
4引脚：D R 复位端，当D R 端接低电平是，时基电路不工作，此时无论TH 处何总电
附录2 图1.1电压比较器
IC
控制电压V 1
V I 阀值输入2
V I 阀值输入v O
放电端CC V 电源
D R 复位
v O
附录图二1.2 NE555原理图内部结构
IC v 1
I v 2
I v D
R cc v 0
v 0
v ′附录二图1.3 NE555电路符号
平，时基电路始终为“0”，该端不用时应接高电平；
5引脚：电压控制端，若此端接外电压，则可改变内部比较器的基准电压，当该端不用时，应将此端一只0.01μF 的电容接地，以防止干扰； 6引脚：阀值输入端； 7引脚:放电端；
8引脚：电源输入端，外接电源cc v ，双级型时基电路cc v 的范围是4.5～16V ，CMOS 型时基电路cc v 的范围为3～18V ，一般用5V ；
三、基本功能
当5脚悬空是，比较器C 1和C 2的基准电压分别为2
3cc V 和3
cc V ；
1I v 是比较器的C 1的信号输入端，称为阀值输入端；2I v 是比较器的C 2的信号输入端，称为触发输入端。

如果控制电压端（5）外接电压IC v ，则比较器C 1和C 2的基准电压就变为IC v 和
2
IC
v 。

比较器C 1和C 2输出控制SR 锁存器和放电三极管V 的状态 放电三极管V 为外接电路提供放电通路，在使用定时器是，该三极管的集电极（7）一般要接上拉电阻。

D R 为直接复位输入端，当为低电平时，不管其他的输入端的状态如何，输出端的
0v 即为低电平。

当1I v >2
3cc V ,2I v >3
cc V 时，比较器C 1输出低电平，比较器C 2输出高电平，简单SR 锁
存器Q 端置0，放电三极管V 导通，输出端0v 为低电平。

当1I v <2
3cc V ,2I v <3
cc V 时，比较器C 1输出高电平，比较器C 2输出低电平，简单SR 锁
存器Q 端置1，放电三极管V 截止，输出端0v 为高电平。

当1I v <2
3cc V ,2I v >3
cc V 时，，简单SR 锁存器R=1,S=1,锁存器状态不变，电路保持原状
态不变。

附录2表1.4 ：555定时器功能表
函数发生器附录3：电路总原理图
17。