函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計

函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計目錄摘要 Abstract 第一章前言 1第二章函數(shù)信號發(fā)生器相關(guān)知識與基本原理 22.1電壓比較器 22.1.1簡單電壓比較器 22.1.2滯回比較器 22.1.3窗口比較器 32.2方波發(fā)生器 32.3積分器 42.4差分放大器 42.4.1傳輸特性 52.4.2共模特性 6第三章函數(shù)發(fā)生器設(shè)計方案 73.1基于單片集成芯片MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 73.2基于晶體管、運放IC等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計 83.2.1方波→三角波產(chǎn)生電路 83.2.2三角波→正弦波變換電路 9第四章基于晶體管與運放IC函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計 114.1性能指標(biāo) 114.2參數(shù)計算 114.3原理框圖 124.4設(shè)計電路與工作原理 124.4.1設(shè)計所用元器件 124.4.2電路及工作原理 124.5相關(guān)芯片介紹 134.5.1uA747雙電源通用型雙運放 134.5.2LM78XX與LM79XX 14第五章結(jié)束語 15參考文獻(xiàn)答謝辭摘要函數(shù)信號發(fā)生器是指能自動產(chǎn)生方波、正弦波、三角波等電壓波形的儀器,它在實驗及科學(xué)研究中得到了廣泛應(yīng)用。本課題的任務(wù)是設(shè)計一個函數(shù)信號發(fā)生器，使其能自動產(chǎn)生方波、三角波以及正弦波。本論文主要針對函數(shù)信號發(fā)生器進(jìn)行論述，它基本可分為三部分，第一部分主要是對設(shè)計中應(yīng)用到的一些模電數(shù)電方面的知識如電壓比較器，積分器，差分放大器等進(jìn)行簡單介紹；第二部分的主要內(nèi)容是提出了以下兩種設(shè)計方案：第一種方案是基于單片集成芯片MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，第二種方案是基于晶體管、運放IC等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，并且對這兩種方案的優(yōu)點和缺點進(jìn)行分析比較，最后確定采用第二種方案來完成函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計。第三部分就具體介紹了我的設(shè)計方案—基于晶體管、運放IC等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，它是本文的核心，該部分講述了性能指標(biāo)、原理框圖、以及如何通過參數(shù)計算來確定設(shè)計電路等幾個方面的內(nèi)容。關(guān)鍵字：函數(shù)信號發(fā)生器;差分放大器;積分器AbstractThefunctionsignalgeneratingdeviceisreferscanautomaticallyhavevoltagewaveformtheandsoonthesquare-wave,sinewave,trianglewaveinstrument,itobtainedthewidespreadapplicationintheexperimentandthescientificresearch.Thistopicdutydesignsafunctionsignalgeneratingdevice,enablesitsautomaticallytohavethesquare-wave,thetrianglewaveaswellasthesinewave.Thepresentpapermainlyaimsatthefunctionsignalgeneratingdevicetocarryontheelaboration,itisbasicmaydivideintofourparts,thefirstpartmainlyistosomemoldelectricitynumberelectricityaspectsknowledgelikevoltagecomparatorswhichdesignsapplies,theintegrator,thedifferentialamplifierandsooncarriesonthesimpleintroduction;Thesecondpartofmaincontentwasproposedfollowingtwokindofdesignproposal:ThefirstkindofplanisbasedonthemonolithicintegratedchipMAX038functionsignalgeneratingdevicedesign,thesecondkindofplanisbasedonthetransistor,transportsputsfunctionsignalgeneratingdevicetheandsoontheICdesign,andcarriesontheanalysiscomparisontothesetwokindofplansmeritandtheshortcoming,finallydeterminedusesthesecondkindofplantocompletethefunctionsignalgeneratingdevicethedesign.Thethirdpartspecificallyintroducedmydesignproposal-basedonthetransistor,transportsputsfunctionsignalgeneratingdevicetheandsoontheICdesign,itisthisarticlecore,didthispartnarratetheperformanceindex,thefunctionalblockdiagram,howaswellascalculatesthroughtheparameterdeterminesthedesignelectriccircuitandsoonseveralaspectsthecontent;Thearticlefourthpartmainlyintroducedthedebugginginstallmentmethod,andtodesignedthebreakdownwhichappearedtocarryonthebriefanalysis.Keywords:FunctionsignalgeneratingdeviceDifferentialamplifierIntegrator第一章前言信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。信號發(fā)生器按其信號波形可分為四大類：正弦信號發(fā)生器、函數(shù)（波形）信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、隨機信號發(fā)生器。其中能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。在實驗以及一些科學(xué)研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本測試信號。如在示波器、電視機等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運動，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時基電路。同樣三角波，方波，正弦波也有著不可忽視的作用，如在示波器中常用方波做標(biāo)準(zhǔn)信號來檢查它的好壞，在實驗中常用正弦波作為信號源，測量放大器的放大倍數(shù)，觀察波形的失真情況等等。而函數(shù)信號發(fā)生器能自動產(chǎn)生以上波形，可見函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。除此之外，函數(shù)信號發(fā)生器在其他領(lǐng)域也有重要作用。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號或脈沖信號運載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器等等。因此對函數(shù)發(fā)生器的研究有著十分重要的意義，它是我們在學(xué)習(xí)，科學(xué)研究等方面不可缺少的工具。本課題的任務(wù)是設(shè)計一個函數(shù)信號發(fā)生器，使其能夠自動產(chǎn)生方波、三角波及正弦波。其頻率范圍要求是1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz,1KHz-10KHz。在它的多種設(shè)計方案中，本文選用集成運算放大器與晶體管差分放大器來實現(xiàn)方函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計。此設(shè)計方案的基本思想是比較器與積分電路和反饋網(wǎng)絡(luò)（含有電容元器件）組成振蕩器，其中比較器產(chǎn)生的方波通過積分電路變換成了三角波，電容的充、放電時間決定了三角波的頻率。最后利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性特點將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。此方案的優(yōu)點是它是一種最基本的設(shè)計方案，它能綜合運用我們所學(xué)的知識進(jìn)行設(shè)計，電路簡單，價格低廉，工作原理直觀明了，能基本實現(xiàn)課題的要求。第二章函數(shù)信號發(fā)生器相關(guān)知識與基本原理在函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計中，會應(yīng)用到許多模電數(shù)電方面的知識。如會應(yīng)用到電壓比較器，積分器，差分放大器等等。其中電壓比較器在函數(shù)發(fā)生器中的功能主要是組成波形發(fā)生器，可組成方波發(fā)生器產(chǎn)生方波，也可以和積分器共同組成三角波發(fā)生器；在函數(shù)信號發(fā)生器中積分器的主要作用是用來構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路；而具有恒流源的差分放大器在函數(shù)信號發(fā)生器中的作用是用來三角波—正弦波的變換。2.1電壓比較器電壓比較器的基本功能是比較兩個電壓的大小，通過輸出電壓的高低電平來表示兩個輸入電壓的大小關(guān)系，而電壓比較器在函數(shù)發(fā)生器中的功能主要是組成波形發(fā)生器。它的基本原理是將信號電壓Ui與參考電壓UR進(jìn)行比較，當(dāng)Ui>UR時，電壓比較器正向飽和；當(dāng)Ui<UR時，電壓比較器負(fù)向飽和；當(dāng)Ui=UR時，狀態(tài)不定。即在信號電壓和參考電壓的幅值相等處，輸出狀態(tài)才發(fā)生跳變。通常電壓比較器可分為簡單電壓比較器、窗口比較器和滯回比較器等等。2.1.1簡單電壓比較器簡單電壓比較器通常只含有一個運放，且在多數(shù)情況下，運放開環(huán)工作。它只有一個門限電壓，所以也稱單限比較器。UR加在運放的同相輸入端，Ui為外加參考電壓。一般簡單電壓比較器及其電壓傳輸特性如圖2.1所示：圖2.1一般簡單電壓比較器及其電壓傳輸特性當(dāng)Ui<UR時，運放輸出高電平，穩(wěn)壓管Dz反向穩(wěn)壓工作，輸出端電位嵌位在穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz，即Uo=Uz當(dāng)Ui>UR時，運放輸出低電平，穩(wěn)壓管Dz正向?qū)?，輸出電壓等于穩(wěn)壓管的正向?qū)妷篣D，即Uo=-UD2.1.2滯回比較器在單限比較器中，輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源輸入信號還是外部干擾。因此，雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因而也就具有一定的抗干擾能力。滯回比較器電路中引入了正反饋。滯回比較器及其電壓傳輸特性如圖2.2所示：a）電路b)電壓傳輸特性圖2.2滯回比較器及其電壓傳輸特性電路從輸出端引一個電阻分壓支路到同相輸入端，若Uo改變狀態(tài)，同相端的電位也隨著改變。當(dāng)Uo為正，U+=[R2/（Rf+R2）]Uo+，則當(dāng)Ui>U+后，Uo即由正變負(fù)，此時同相輸入端電位U+變?yōu)?U+，-U+=[R2/（Rf+R2）]Uo-。故只有當(dāng)Ui下降到-U+以下，才能使Uo再度回升到Uo+，于是出現(xiàn)圖1.2（b）所示的滯回特性。-U+與U+的差別稱為回差，改變R2的數(shù)值可以改變回差的大小。2.1.3窗口比較器單限比較器和滯回比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在兩個給定電壓之間，而窗口比較器具有這一功能。圖1.3（a）所示為一種雙限比較器，外加參考電壓URH>URL，電阻R1、R2和穩(wěn)壓管VDZ構(gòu)成限幅電路。當(dāng)輸入電壓ui大于URH時，必然大于URL，所以集成運放A1的輸出u01=+UOM，A2的輸出u02=-UOM。使得二極管VD1導(dǎo)通，VD2截止，電流通路圖1.3中實線所標(biāo)注，穩(wěn)壓管VDZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓u0=+UZ。當(dāng)ui小于URL時，必然小于URH，所以A1的輸出u01=-UOM，A2的輸出u02=+UOM。因此VD2導(dǎo)通，VD1截止，VDZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，u0仍為+UZ。當(dāng)URL〈ui〈URH時，u01=u02=-UOM，所以VD1和VD2均截止，穩(wěn)壓管截止，u0=0。URH和URL分別為比較器的兩個閾值電壓，設(shè)URH和URL均大于零，則圖2.3（a）所示電路的電壓傳輸特性如圖2.3（b）所示。a)電路圖b)傳輸特性圖2.3窗口比較器及其電壓傳輸特性2.2方波發(fā)生器電壓比較器的一個典型應(yīng)用就是方波發(fā)生器，方波發(fā)生器的電路如圖2.4（a）所示。其中R1與RF組成正反饋支路，運放同相端電壓V+=（R1/R1+RF）V0,電阻R、電容C組成運放的負(fù)反饋支路。當(dāng)電容C的端電壓VC（等于運放的反相端電壓V-）大于V+時，輸出電壓V0=-VZ（雙向穩(wěn)壓管DZ的限幅電壓），則電容C經(jīng)電阻R放電，VC下降。當(dāng)VC下降到比V+小時，比較器的輸出電壓V0=+VZ，電容C又經(jīng)過電阻R充電，電容的端電壓VC又開始上升，如此重復(fù)，則輸出電壓v0為周期性方波，如圖2.4（b）所示。方波的頻率可用以下公式表示，f0=1/T=1/2RCln(1+2R1/RF)，調(diào)節(jié)電位器RP可改變頻率。a)電路圖b)輸出波形圖2.4方波發(fā)生器及其輸出波形2.3積分器在函數(shù)信號發(fā)生器中積分器的主要作用是用來構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路，積分器的基本電路如圖2.5（a）所示。若ui選用階躍信號，在t≥0時，輸出電壓uo的表達(dá)式為ui=0(t<0)或ui=E（t≥0），U0=-Et/RC式中，RC為積分時間常數(shù)；輸出電壓uo的最大值受集成運算放大器的最大輸出電壓和輸出電流限制，因此積分時間是有限的。為限制電路的低頻電壓增益，可將反饋電容C與一電阻RF并聯(lián)。當(dāng)輸入頻率大于f0=-1/(2πRFC)時，電路為積分器；若輸入頻率遠(yuǎn)低于f0。則電路近似一個反相器，低頻電壓增益為AVF=-RF/R1實際的積分器電路如圖2.5（b）所示。若輸入為一對稱方波，則積分器的輸出為一對稱三角波，其波形關(guān)系如圖2.5（c）所示。a)電路圖b)實際電路c)輸出波形圖2.5積分器及其輸出波形2.4差分放大器具有恒流源的差分放大器，應(yīng)用十分廣泛。特別是在模擬集成電路中，常作為輸入級或中間放大級，而在函數(shù)信號發(fā)生器中的作用是用來產(chǎn)生正弦波，主要是應(yīng)用其工作在非線性區(qū)。差分放大器電路如圖2.6所示。其中，T1、T2稱為差分對管，常采用雙三極管如5G921或BG319等，它與電阻RB1、RB2、RC1、RC2及電位器RP共同組成差分放大器的基本電路。T3、T4與電阻RE3、RE4、R共同組成恒流源電路，為差分對管的射極提供恒定電流I0。均壓電阻R1、R2給差分放大器提供對稱差模輸入信號。晶體管T1與T2、T3與T4的特性應(yīng)相同，電路參數(shù)應(yīng)完全對稱，改變RP可調(diào)整電路的對稱性。由于電路的這種對稱性結(jié)構(gòu)特點及恒流源的作用，無論是溫度的變化，還是電源的波動（稱之為共模信號），對T1、T2兩管的影響都是一樣的。因此，差分放大器能有效地抑制零點漂移。差分放大器器的主要性能參數(shù)有傳輸特性，差模特性及共模特性。圖2.6差分放大器電路2.4.1傳輸特性傳輸特性是指差分放大器在差模信號輸入下，集電極電流iC隨輸入電壓vid的變化規(guī)律，傳輸特性曲線如圖2.7所示。由傳輸特性可以看出：當(dāng)差模輸入電壓Vid=0時，兩管的集電極電流相等，IC1Q=IC2Q=I0/2，稱Q點為靜態(tài)工作點；當(dāng)vid增加（±25mV以內(nèi)）時，iC1隨vid線性增加，iC2隨vid線性減少，IC1+IC2=I0的關(guān)系不變，稱vid的這一變化范圍為線性放大區(qū)；在vid增加到使T1趨于飽和區(qū)，T2趨于截止區(qū)（vid超過±50mV）時，iC1的增加和iC2的減小都逐漸緩慢，這時iC1、iC2隨vid作非線性變化，稱vid的這一變化范圍為非線性區(qū)，增大射極電阻可加強電流負(fù)反饋，擴展線性區(qū)，縮小非線性區(qū)；在vid再繼續(xù)增加（超過±100mV），T1飽和、T2截止時，iC1、iC2不再隨vid變化，稱vid的這一變化范圍為限幅區(qū)。也可以通過測量T1和T2的集電極電壓vc1、vc2隨差模電壓vid的變化規(guī)律來測量差模傳輸特性。因為vc1=VCC-iC1RC1，如果+VCC、RC1確定，則vc1與-iC1的變化規(guī)律相同，Vc(-)為晶體管截止時的電壓，Vc(+)為晶體管飽和時的電壓。靜態(tài)工作點Q對應(yīng)的電壓為VCQ，當(dāng)vid增加時，vc1隨vid線性減少，vc2隨vid線性增加。此傳輸特性可以同來設(shè)置差分放大器的靜態(tài)工作點，觀測電路的對稱性。圖2.7差模傳輸特性曲線2.4.2共模特性當(dāng)差分放大器的兩個輸入端輸入一對共模信號（大小相等、極性相同）vic時，由于恒流源的作用，集電極電壓vc1、vc2不會因vic變化而同時增加或減小。如果電路參數(shù)完全對稱，則共模電壓增益AVC≈0。所以，具有恒流源的差分放大器對共模信號，如晶體管的零點漂移、電源波動、溫度變化等的影響具有很強的抑制能力。常用共模抑制比KCMR來表征差分放大器對共模信號的抑制能力，KCMR愈大，說明差分放大器對共模信號的抑制力愈強，放大器的性能愈好。共模抑制比KCMR的測量方法如下：當(dāng)差模電壓增益AVD的測量完成后，輸入Vic=500mV,fi=500Hz的共模信號。如果電路的對稱性很好，則Vc1=Vc2≈0，示波器觀測vc1、vc2時，其波形近似于一條水平直線。如果電路的對稱性不是很好，vc1、vc2的波形可能為一對大小相等、極性相反的正弦波（其原因是由于電路的參數(shù)不完全對稱所引起的）。雖然電路參數(shù)不完全對稱，但由于AVC≦1，放大器的共模抑制比也能達(dá)到幾十分貝，對共模信號仍具有較強的抑制能力。因此，在要求不是很高的情況下，可以用一固定電阻代替恒流源，T1、T2也可以采用特性相近的兩只晶體管，而不一定要用對管，還可以通過調(diào)整外參數(shù)使電路盡可能對稱。第三章函數(shù)發(fā)生器設(shè)計方案函數(shù)信號發(fā)生器是能自動產(chǎn)生正弦波，方波，三角波等信號電壓波形的電路或儀器。它的設(shè)計方案一般有以下幾種：基于單片集成芯片MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，基于專用直接數(shù)字合成DDS芯片函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計以及基于晶體管、運放IC函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計。本章將對基于單片集成芯片MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計和基于晶體管、運放IC等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計這兩種方案進(jìn)行詳細(xì)闡述。3.1基于單片集成芯片MAX038函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計MAX038是性能優(yōu)良的集成函數(shù)發(fā)生器?？捎脝坞娫垂╇?，也可雙電源供電，他們的值為±5～±15V，我們?nèi)　?5V，頻率的可調(diào)范圍為1～600kHz，輸出矩形波的占空比可調(diào)范圍為2％～98％。此方案的工作原理是當(dāng)給函數(shù)發(fā)生器MAX038接通電源時，電容C的電壓為0V，電壓比較器Ⅰ和Ⅱ的輸出電壓均為低電平；因而RS觸發(fā)器的輸出Q為低電平，EQ\x\to(Q)為高電平；使電子開關(guān)S斷開，電流源IS1對電容充電，充電電流時間的增長而線性上升。uc的上升使RS觸發(fā)器的R端從低電平躍變?yōu)楦唠娖剑漭敵霾蛔?，一直到uc上升到1／3VCC時，電壓比較器Ⅰ的輸出電壓躍變?yōu)楦唠娖?，Q才變?yōu)楦唠娖剑‥Q\x\to(Q)同時變?yōu)榈碗娖剑?，?dǎo)致電子開關(guān)S閉合，電容C開始放電，放電電流為IS2－IS1＝I，因放電電流是恒流，所以，電容上電壓uc隨時間的增長而線性下降。起初，uc的下降雖然使RS觸發(fā)器的S端從高電平躍變?yōu)榈碗娖?，但其輸出不變。一直到uc下降到1／3VEE，使電壓比較器Ⅱ的輸出電壓躍變?yōu)榈碗娖?，Q才變?yōu)榈碗娖剑‥Q\x\to(Q)同時為高電平），使得電子開關(guān)S斷開，電容C又開始充電。重復(fù)上述過程，周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。由于充電電流與放電電流數(shù)值相等，因而電容上電壓為對稱三角波形,EQ\x\to(Q)和Q）為方波，經(jīng)緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。通過以上分析可知，改變電容充電放電電流即改變RA，RB的數(shù)值，或改變電容C的數(shù)值，就改變了充放電時間，因此可改變其頻率。

圖3.1所示為MAX038最常見的接法，矩形波輸出端為集電極開路形式，需外接電阻RL＝10kHz至＋VCC。圖中RA和RB可分別獨立調(diào)整，通過改變RA和RB的數(shù)值可改變矩形波的占空比，當(dāng)RA＝RB時矩形波的占空比為50％，因而為方波。當(dāng)RA≠RB時，矩形波不再是方波，引腳2輸出也就不再是正弦波。圖3.1ICL8083的基本接法3.2基于晶體管、運算IC等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計此方案包括兩部分電路，一部分為方波—三角波產(chǎn)生電路，另一部分為三角波→正弦波變換電路。下面將分別介紹它們的電路及工作原理：方波→三角波產(chǎn)生電路方波—三角波產(chǎn)生電路如圖3.2所示：圖3.2方波—三角波產(chǎn)生電路圖圖3.2所示的電路能自動產(chǎn)生方波—三角波。電路工作原理如下：若a點斷開，運算放大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，R1稱為平衡電阻，C1稱為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)；運放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即V-=0，同相端接輸入電壓via；比較器的輸出v01的高電平等于正電源電壓+VCC，低電平等于負(fù)電源電壓當(dāng)比較器的V+=V-=0時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出v01從高電平+VCC跳到低電平-VEE，或從低電-VEE跳到高電平+VCC。設(shè)v01=+VCC，則可以得到V+的式子，即它的值。對這個式子進(jìn)行整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位Via-=[-R2/（R3+RP1）]VCC若V01=-VEE，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位：Via+=[R2/（R3+RP1）]VCC，所以比較器的門限寬度VH為VH=Via+-Via-=2[R2/（R3+RP1）]VCC，所以由前面的式子可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3.3（a）所示。當(dāng)a點斷開時，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波v01，則積分器的輸出為：當(dāng)V01=+VCC時，v02=[-VCC/（R4+RP2）C2]t；當(dāng)V01=-VEE時，v02=[VCC/（R4+RP2）C2]t?？梢?，當(dāng)積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形關(guān)系如圖3.3（b）所示：a）電壓傳輸特性b）輸出波形關(guān)系圖3.3比較器電壓傳輸特性及輸出波形關(guān)系當(dāng)a點閉合時，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波—三角波。3.2.2三角波→正弦波變換電路三角波→正弦波變換電路如圖3.4所示：圖3.4三角波→正弦波變換電路圖3.5三角波→正弦波波形變換選用差分放大器作為三角波→正弦波的變換電路。波形變換的原理是：利用差分對管的飽和與截止特性進(jìn)行變換。分析表明，差分放大器的傳輸特性曲線ic1(或ic2)的表達(dá)式為：ic1=aiE1=aI0/(1+e-vid/VT)，式中，a=IC/IE≈1；I0為差分放大器的恒定電流；VT為溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25度時，VT≈26mV。如果vid為三角波，把它的表達(dá)式代入ic1=aiE1=aI0/(1+e-vid/VT)中，再用計算機對其進(jìn)行計算，打印輸出的ic1(t)或ic2(t)曲線近似于正弦波，則差分放大器的輸出電壓vc1(t)、vc2(t)亦近似于正弦波，波形變換過程如圖3.5所示。為使輸出波形更接近正弦波，要求傳輸特性曲線盡可能對稱，線性區(qū)盡可能窄；三角波的幅值V應(yīng)接近晶體管的截止電壓值。通過以上論述可知：基于單片集成芯片MAX038函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計的優(yōu)點：MAX038頻率高、精度好，能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器IC，并且在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計上，MAX038都是優(yōu)選的器件。由晶體管、運放IC等組成函數(shù)信號發(fā)生器的優(yōu)點：用其進(jìn)行設(shè)計可以對我們以前所學(xué)的模電及數(shù)電知識進(jìn)行很好的鞏固，同時選用差分放大器作為三角波→正弦波的變換電路，可以幫助我們學(xué)習(xí)多級電路的調(diào)試技術(shù)。除此之外，還可以鍛煉我們參數(shù)選擇及電路排版的能力。所以，雖然基于晶體管、運放IC等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與利用單片集成芯片MAX038的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計相比有一定的缺點，但是在此次設(shè)計中它仍然能夠完成所有設(shè)計要求，并且它比方案一更經(jīng)濟(jì)，同時利用單片集成芯片MAX038的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計也是有缺陷的，因為其原理不容易講清楚，所以采用晶體管、運放IC等進(jìn)行函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計。第四章基于晶體管、運放IC等函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計4.1性能指標(biāo)輸出波形:正弦波、方波、三角波。頻率范圍:1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz,1KHz-10KHz，4個波段。波形特性:表征正弦波特性的參數(shù)是非線性失真r~，要求r~<5%；表征三角波特性的參數(shù)是非線性系數(shù)r，要求r<2%；表征方波特性的參數(shù)是上升時間tr，要求tr<30us。4.2參數(shù)計算在電子電路設(shè)計中為保證單元電路達(dá)到功能指標(biāo)要求，常需計算某些參數(shù)。在上面指出了函數(shù)信號發(fā)生器的一些性能指標(biāo)，所以為了滿足這些要求就要對元件的參數(shù)進(jìn)行計算。本設(shè)計的參數(shù)計算如下：比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計算如下：取R2=10K，取R3=20K，RP1=47K。平衡電阻R1=R2∥（R3+RP1）≈10K由輸出頻率的表達(dá)式得當(dāng)1Hz≤f≤10Hz時，取C2=10uF,R4=5.1K，RP2=100K。當(dāng)10Hz≤f≤100Hz時，取C2=1uF以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻R5=10K。同理，當(dāng)100Hz≤f≤1KHz時，取C2=0.1uF（即104）；當(dāng)1KHz≤f≤10KHz時，取C2=0.01uF（即103）。三角波→正弦波電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取C3=C4=C5=470uF，濾波電容C6的取值視輸出的波形而定，若含高次諧波成分較多，則C6一般為幾十皮法至0.1uF。RE2=100與RP4=100相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線、調(diào)整RP4及電阻R*來確定。通過以上計算可以得到以下結(jié)論：電位器RP2在調(diào)整方波—三角波的輸出頻率時，一般不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，RP2實現(xiàn)頻率微調(diào)。方波的輸出幅度約等于電源電壓+VCC。三角波的輸出幅度不超過電源電壓+VCC。電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波—三角波的頻率。在三角波→正弦波的變換電路中，RP1調(diào)節(jié)三角波的幅度，RP2調(diào)整電路的對稱性，并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。C1、C2、C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。4.3原理框圖函數(shù)信號發(fā)生器原理框圖如圖4.1所示：圖4.1原理框圖本設(shè)計的基本思想是比較器與積分電路和反饋網(wǎng)絡(luò)（含有電容元器件）組成振蕩器，其中比較器產(chǎn)生的方波通過積分電路變換成了三角波，電容的充、放電時間決定了三角波的頻率。最后利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性特點將三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。4.4設(shè)計電路與工作原理4.4.1設(shè)計所用元器件⑴對稱性較好的雙三極管3DG130四只，用于差分放大電路中。⑵單層七段分線器，用于頻率的轉(zhuǎn)換。⑶變壓器：輸入電壓220VAC，輸出電壓12VDC，額定工作電流600mA。⑷整流橋：最大工作電流5A由四只IN4007構(gòu)成，用于電源變換模塊。⑸7812、7912三端穩(wěn)壓管：用在電源變換模塊中。⑹芯片uA747一片，以及若干電阻電容等。4.4.2電路及工作原理函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計電路圖如圖4.2所示，電源電路如圖4.3所示。圖4.2函數(shù)信號發(fā)生器設(shè)計電路圖4.3電源電路其工作原理如下：當(dāng)電阻R2與芯片uA747的10腳斷開時，其中的一個運算放大器與R1、R2、及R3，RP1組成電壓比較器運算放大器的反相端即1腳接基準(zhǔn)電壓，同相端即2腳接輸入電壓，比較器的輸出端即芯片uA747的12腳輸出V01的高電平近似等于電源電壓。同時，斷開后，另外一個運放與R4，RP2，C2及R5組成反相積分器，輸入的方波信號經(jīng)反相積分器后，在其輸出端即uA747的10腳輸出一個上升速率與下降速率相等的三角波，而在這次設(shè)計中，電阻R2是與芯片uA747的10腳相連的，即比較器與積分器的首尾相連，形成閉環(huán)電路，這樣就可以自動產(chǎn)生方波—三角波，并且可在10腳與12腳分別觀測方波與三角波。從10腳輸出三角波后，經(jīng)過一個差分放大器，主要利用差分對管的飽和與截止特性進(jìn)行變換，即可輸出正弦波，此差分放大器由四個對稱性較好的3DG130作差分對管，與RB1，RB2，RC1，RC2，RP3，RP4及一些電容等共同構(gòu)成，RP3調(diào)節(jié)三角波的幅度，RP4調(diào)整電路的對稱性，一些并聯(lián)電阻用來減小差分放大器的線性區(qū)，電容用來改善輸出波形。除此之外，圖是電源電路，為整個電路提供±12V的電壓，其工作原理是變壓器經(jīng)一個橋式電路（由四個IN4007構(gòu)成）后，分為兩路：一路去接正穩(wěn)壓管LM7812輸出+12v電壓，另一路去接負(fù)穩(wěn)壓管LM7912輸出-12v電壓，兩部分電路是對稱的。4.5相關(guān)芯片介紹4.5.1uA747雙電源通用型雙運放uA747是一種高增益的雙運算放大器，兩個運放具有共同的偏置和負(fù)電源引線，正電源分別引線，工作時各自具有獨立的功能。其特點為：無需外部頻率補償，具有短路保護(hù)，有很寬的差模和共模輸入電壓范圍，功耗低，使用中不會出現(xiàn)阻塞現(xiàn)象，可用作積分器、求和放大器及普通反饋放大器。同類或直接代替的型號有CF747MT、CF747CT、CF747MD、CF747CD、CF747MJ、CF747CJ、CF747CP、SG747等。uA747引腳排列封裝如圖4.4所示。其各腳功能如下：⑴腳1IN_為1單元反相輸入端；⑵腳1IN+為1單元同相輸入端；⑶腳1OA2為1單元調(diào)零端；⑷腳V_為公共負(fù)電源端；⑸腳2OA2為2單元調(diào)零端；⑹腳2IN_為2單元反相輸入端；⑺腳2IN+為2單元同相輸入端；⑻腳2OA1為2單元調(diào)零端；⑼腳2V+為2單元正電源端；⑽腳2OUT是2單元輸出端；⑾腳NC為空腳；⑿腳1OUT是1單元輸出端；⒀腳1V+為1單元正電源端；⒁腳1OA1為1單元調(diào)零端。電源電壓：uA747為±22V，CF747C為±18V。差模輸入電壓±30V；共模輸入電壓±15V；開環(huán)電壓放大倍數(shù)2×105（一個單元，V0=±10V，RL≥2K；）功耗100mW；輸入電阻2.0M；輸出電阻75。uA747的典型應(yīng)用電路如圖4.4所示。圖4.4引腳封裝圖及典型電路4.5.2LM78XX與LM79XXLM78XX稱為正穩(wěn)壓器，正定值的三端穩(wěn)壓器如圖4.5所示。當(dāng)外加適當(dāng)大小的散熱片且整流器能提供足夠的輸入電流時，穩(wěn)壓器可提供1.5A的輸出