函数发生器的设计及制作

第一章绪论

函数信号发生器本来是一种超低频仪器，不打为所注意，但近几年来，情况发生了极大的变化。现在函数发生器，不仅可以产生各种各样的数学波形，而且还具有某些专用仪器的能力，如频率合成、扫描、调制（调幅、调频与调相）。以上这些功能在台式函数发生器与调控函数发生器与程控函数发生器之间权衡选用，前者常被称作“便携式”，后者通常用于自动测试的设备中。由于函数发生器性能价格比较很好，应用围日益扩大。据报道，函数发生器在国外已成为设计人员在工作台上不可缺少的信号源。

所有先进的函数发生器都具有这样或那样的灵活性，由外部电压选择发生器的频率是它的共同点；另一特点是，滞留偏置可调，可按具体实验要求调节输出信号的直流电平。波形空度比可调。因而波形形状可变。

许多函数发生器具有可调的起/止相位鉴别器，相位锁定，以及具有触发输入或门控输出的选择，有的发生器还可以借操作人员把伪隨机噪声加到波形上，以使用于噪声环境，也可以把所有产生的信号相位锁定于外接源的相位上。

第二章总体电路方案设计与选择

2.1设计要求

1.输出的各种波形工作频率围0.02Hz～1kHz连续可调。

2.正弦波幅值±10V，失真度小于1.5％。

3.方波幅值±10V。

4.三角波峰峰值20V；各种输出波形幅值均连续可调。

2.2设计的基本方案

方案一：由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波。由运算放大器进行设计,如图2-2所示：

图2-2函数发生器原理图1

采用振荡电路获得正弦波,再由比较器获得方波,最后通过积分电路获得三角波。

方案二：用ICL8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后ICL8038的

9、3、2引脚就可分别产生方波、三角波、正弦波，频率调节部分通过其它的引脚接外电路来完成.然后从ICL8038出来经过选择开关选择所需波形进入LM31D8进行放大和幅度调节，最后从LM31D8出来的波即为频率和幅度可调的方波，三角波和正弦波。采用集成片ICL8038做函数信号发生器，这是一种集成度很高的芯片，只要外加上电源，就能得到很完美的波形。

方案三：采用DDS作为信号发生核心器件的全数控函数信号发生器设计方案，根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可数控、输出频率宽等要求，选用了AD9850芯片，并通过单片机程序控制和处理AD9850的32位频率控制字，再经放大后加至以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现了信号幅度、频率、类型以及输出等选项的全数字控制。

方案四：利用比较器产生方波，后用积分器产生三角波，经过擦、差分放大器产生正弦波。采用比较器和积分器分别获得方波和三角波,再用晶体三极管组成的差分放大电路做三角波到正弦波的转换，如图2-2：

图2-2数发生器原理图3

可行性分析：

在以上四种方案，方案一：用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生

器所产生的信号难控制，不易调试，可调围小；方案二中，应用芯片，由运放，电位器等组成的多功能函数信号发生器，精确度高，但过于复杂；方案三，知识所限，复杂；方案四，产生信号相对简单。所以选择第四种方案。

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

2.3选择的最终设计方案：第四种方案

。

。

第三章函数发生器总体设计

3.1原理框图

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比较器积分器差分放大器

图3-1 原理框图

3.2组成部分

1.电源

2.比较器

3.积分器4差分放大器

3.3原理

振荡电路主要产生具有一定频率要求的信号。它决定了函数发生器的输出信号的频率调节围、调节方式和频率的稳定度；在要求不高的场合，电路往往以需要产生的波形中的一种信号作为振荡信号。常用的振荡器有脉冲振荡器和正弦波振荡器。该部分主要考虑信号频率调节围和频率的稳定度。

波形变换器功能是对振荡源产生的信号进行变换和处理，形成各种所需的信号波形。重点考虑波形的失真问题，通过采取各种措施尽可能使波形失真减少。

输出电路是对各路波形信号进行幅度均衡和切换，并完成信号幅度的调节、功能；重点考虑输出端的特性，如输出波形的最大幅值、输出功率和输出阻抗等。

第四章 函数发生器的单元电路设计

4.1电源的设计

如图4-1是由LM117和LM137组成的正、负输出电压可调的稳压器。电路中的VREF=V31(或V21)=1.2V,R1=R ’1=(120~240)Ω，为保证空载情况下输出电压稳定。该电路输出电压调节围确定。该电路输入电压V1分别为±25V ，则输出电压可调围为±(1.2~20)V LM117LM137C1

0.1μF C3

0.1μF

C2

10μF C4

10μF

V21V31R1120ΩR'1120ΩR22KΩ

R'22KΩC51μF

C61μF +25v

-25V +(1.2~20)V -（1.2~20)V

adj1adj2+Vo +V1

-Vo -V1

图4-1电源工作原理图

4.2方波-三角波转换的电路设计

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Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT 。Uo 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，Un 趋于+Uz ；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo 从+Uz 跃变为-Uz,与此同时Up 从+Ut 跃变为-Ut 。随后，Uo 又通过R3对电容C 反向充电，如图中虚线箭头所示。Un 随时间逐渐增长而减低，当t 趋于无穷大时，Un 趋于-Uz ；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo 就从-Uz 跃变为+Uz ，Up 从-Ut 跃变为+Ut ，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。