函数发生器的设计
目录
一、设计任务与要求
二、方案与论证
1.正弦波产生电路：
1. 1RC桥式正弦波振荡电路：
2.正弦波变换为方波的电路：
2.1 电压比较器电路：
3.方波变换为三角波的电路：
3.1 积分运算电路：
三、仿真
四、元器件清单
五、调式与性能分析：
一、 设计任务与要求:
掌握方波——三角波——正弦波函数发生器的设计方法与测试技术。
了解集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的函数发生器的工作原理与设计方法。
学会安装与调试由分离器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。
设计并制作一个简易函数发生器，要求如下： 1. 输出波形：正弦波、方波、三角波等 2. 频率范围：1Hz~10Hz, 10Hz~100Hz
3. 输出电压：方波Vp-p<=24V , 三角波Vp-p<=8V , 正弦波Vp-p>1V .
二、方案与论证
方案总体分为三部分，先设计一个正弦波发生电路，再将正弦波信号经迟滞比较器转化为方波，再将方波经积分运算转变为三角波。
正弦波 方波 三角波
1. 正弦波产生电路：
RC 桥式振荡电路原理图如下：
RC 桥式振荡电路
迟滞比较器
积分电路
3
2
6
7
415
U1
UA741
C
C R R RF
R1
0R1
由选频网络和放大电路两部分组成。
选频网络兼作放大电路的正反馈，反馈系数Fv = Vf / V o ，当f =1 / (2πRC) 时，幅频响应的幅值为最大Fmax = 1/3 ，相频响应的相位角为零。
也就是说，只有当f =1 / (2πRC) 时，输出电压的幅值最大，为输入电压的1/3，且输出电压与输入电压同相。
噪声中有f =1 / (2πRC) 这个频率，直流电源提供能源，选频网络的正反馈使输出频率越来越大，最后受电路中非线性元件的限制，振荡幅度自动稳定下来。
适当调整负反馈的强弱，使Av
起振时略大于3，稳幅时Av = 3。
如果Av 远大于3，则会出现严重的非线性失真。
2.正弦波变换为方波的电路：
使用双门限反相输入迟滞比较器，电路原理图如下：
3
2
6
7
415
U2
UA741
D3
D4
R4
R6
门限电压是随着输出电压V o 的变化而改变的。
V o 用双向稳压管（或两个单稳压管反向串联）稳压，V = R1*Vref / (R1+R2) + R1*V o / (R1+R2) ,当输入电压vi >V+ ,则输出电源最大电压（即742的供电电压），门限电压变为下门限；直到vi <V- 才输出电源最小电压，门限电压变为上门限，如此反复。
可以改变输入电压接同相输入端还是反相输入端改变跳变方向，但一定要构成正反馈。
输出电压幅值大小可以通过滑动变阻器调节，另一端要
接地。
3.方波变换为三角波的电路：
使用积分电路，电路原理图如下:
3
2
6
7
415
U1
UA741
C1
R1
R2
三、仿真与分析
1. RC 桥式正弦波振荡电路：
正弦波振荡电路的典型特征是无交流输入信号，却在输出端产生了正弦波输出信号。
经过选频兼正反馈网络，把某一频率信号筛选出来(而其他信号被抑制)，再送回放大电路的输入端，整个电路的回路增益应略大于1，这样不断的循环放大，得到失真的输出信号，最后经稳幅环节可输出一个频率固定、幅值稳定的正弦波信号。
R1、C1、R2、C2组成的串并联选频兼正反馈网络以及RW 和RF组成的电压串联负反馈稳幅环节。
利用二极管正向伏安特性的非线性实现自动稳幅。
电压小于二极管的导通电压时，二极管电阻较大，负反馈系数比较小；随着振幅逐渐增大，二极管导体电阻逐渐减小，负反
馈增强，限制振幅增大；稳幅环节中电阻选择4.4k ,仿真效果比较好。
2.电压比较器电路：
门限电压是随着输出电压V o的变化而改变的。
V o用两个单稳压管反向串联稳压为+5.1V和-5.1V，V += R1*Vref / (R1+R2) + R1*V o / (R1+R2) =0+2.2*5.1/(2.2+2.2) = 2.55V ,仿真输出为2.51V (图中3.16V是因为接了后面电路, 当输入电压vi >2.55V ,理想条件下输出电源15V，仿真电路中，直到vi <V- 才输出电源最小电压，门限电压变为上门限，如此反复。
可以改变输入电压接同相输入端还是反相输入端改变跳变方向，但一定要构成正反馈。
输出电压幅值大小可以通过滑动变阻器调节，另一端要接地。
3.积分运算电路：原理图如下
3
2
6
7
4
15
U3
UA741
C3
0.33u
R4
5M R6
510K
R7
510K
元件参数的确定：
UA741，电容C3，电阻R10组成基本的积分电路； 通过R3和变阻器RV5起限流作用；
要求R10=R6=1／10R11来防止积分偏移和饱和截止；
主要是确定积分时间C1R1的值，或者说是确定闭环增益线与0dB 线交点的频率f0(零交叉点频率)。
当时间常数较大，如超过10ms 时，电容C1的值就会达到数微法，由于微法级的标称值电容选择面较窄，故宜用改变电阻R1的方法来调整时间常数。
但如所需时间常数较小
时，就应选择R1为数千欧～数十千欧，再往小的方向选择C1的值来调整时间常数。
因为R1的值如果太小，容易受到前级信号源输出阻抗的影响。
根据以上的理由，图①和图②积分电路的参数如下：积分时间常数0．2s(零交叉频率0．8Hz)，输入阻抗200kΩ，输出阻抗小于1Ω
原理：从图得，Uo=Uc=(1/C)∫icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RC≥Tk,充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故Uo=(1/c)∫icdt=(1/RC)∫Uidt 这就是输出Uo正比于输入Ui 的积分（∫Uidt）RC电路的积分条件：RC≥Tk
4.仿真结果如下图，满足要求。
四.元件清单
数量备注元件序列型号元件参数
值
3
U1~ U3 放大器
ua741
D3~D4 二极管
2
10BQ040
C1~C3 电解电容0.33uF 3
R1 电阻2K 1
R3 电阻1K 1
R2 电阻10K 1
R4 电阻20K 1
R5,R7 电阻 1.6K 2
R8 电阻 1.1K 1
R9 电阻51K 1
R6，R10 电阻100 2
R11 电阻1M 1
200K 2
RV1,RV2 滑动变阻
器
RV4 滑动变阻
2K 1
器
RV5 滑动变阻1K 1
器
五、调式与性能分析：
实际调试时，一次成功，波形都满足要求，只是方波的上沿和下沿的右端都有点向下倾斜。