函数发生器设计（1）
一、设计任务和指标要求
1、可调频率范围为10Hz~100Hz 。
2、可输出三角波、方波、正弦波。
3、三角波、方波、正弦波信号输出的峰-峰值0~5V 可调。
4、三角波、方波、正弦波信号输出的直流电平-3V~3V 可调。
5、输出阻抗约600Ω。
二、电路构成及元件参数的选择 1、振荡器
由于指标要求的振荡频率不高，对波形非线性无特殊要求。
采用图1所示的电路。
同时产生三角波和方波。
图1 振荡电路
根据输出口的信号幅度要求，可得最大的信号幅度输出为：
V M =5/2+3=5.5V
采用对称双电源工作（±V CC ），电源电压选择为： V CC ≥V M +2V=7.5V 取V CC =9V
选取3.3V 的稳压二极管，工作电流取5mA ，则：
V Z =V DZ +V D =3.3+0.7=4V 为方波输出的峰值电压。
OM Z CC Z 3Z Z V -V V -1.5V-V 9-1.5-4
R ==700ΩI I 5≈=（）
取680Ω。
取8.2K Ω。
R 1=R 2/3=8.2/1.5=5.47（K Ω）
取5.1K Ω。
三角波输出的电压峰值为：
V OSM =V Z R 1/R 2=4×5.1/8.2=2.489（V ） R 4=R 1∥R 2=3.14 K Ω
取3K Ω。
Z Z V 4
RW=8K 0.1~0.2I 0.15
==Ω⨯（）
（） 取10K Ω。
R 6=RW/9=10/9=1.11（K Ω）
取1K Ω。
积分时间常数：
取C=0.1uF ，则：
R5=4.019/0.1=40.19K Ω
取39K Ω。
取R 7=R 5= 39K Ω。
转换速率
Z 1max OSM max 24V R f 44 5.1100
SR 4V f =0.995mS R 8.2
⨯⨯⨯≥=
=（V/）
一般的集成运算放大电路都能满足要求。
兼顾波形转换电路集成电路的使用。
集成电路
选用四运放LM324。
LM324内含四个相同的运算放大器，其中两个用于振荡器，两个用于波形变换。
三、振荡电路工作原理
利用集成运算放大电路也可实现产生方波和三角波的信号发生器，电路主要由比较器和积分器构成。
电路中，有源积分器由运算放大器2A 及其外围电路积分电容C 和电阻R 5、R 7组成。
有源积分器的输出通过R 1接至比较器1A 的正输入端，积分器的输入电压由电位器分压取出，设R W 与R 6形成的分压系数为a w ，则积分器的输入电压为V i =±a w Vz 。
分压系数a w 为：
Z 2Z V 4R 8K 0.1I 0.15≥==Ω⨯（）
251MAX R 8.2
R C= 4.019mS 4R f 4 5.1100
==⨯⨯（）
1a R R R W w
66
≤≤+
即积分器的输入电压V i 的峰值电压通过调节电位器R W ，可从
W
6Z
6R R V R +到V Z 可调。
设某时刻比较器输出V OZ =V Z ，积分器的输入电压为+a w Vz 。
通过积分器积分使得V OS 下降，比较器的正端输入电压V i+跟随下降。
当V i+电压下降超过0V 时，比较器将翻转V OZ =-V Z ，
V i+突然变为负电压，此时为V OS 的负峰电压-V OSM 。
V OSM 的值为：
Z 1
OSM 2
V R V =
R
比较器输出电压V OZ =-V Z 又通过积分器使得V OS 上升，当V i+电压上升超过0V 时，比较器又将翻转为V OZ =V Z ，重复下一次的振荡。
此时V OS 为正峰电压+V OSM 。
振荡器输出V OZ 为方波，峰值为稳压二极管所限定的电压V Z ，V OS 为三角波的输出电压，V OSM 为三角波的峰值。
振荡器的波形如图2。
图2 RC 有源积分器振荡电路的信号波形
在V OZ =-V Z 期间（为振荡半周期T/2），积分器的积分时间常数约为5τ=R C ，输出电压V OS ：
OSM
5Z
W OSM 5Z W OS V t C
R V a V dt C R V a V -=---=⎰
可见，V OS 对时间为线性。
当V OZ 由-V Z 变为V Z 时，V OS =V OSM ，则振荡频率f 为：
OSM 5Z W OSM V 2
T
C R V a V -⨯=
代入Z 1
OSM 2
V R V =
R ，并整理得频率为： w 251a R 1
f=
=T 4R R C
可见改变a Ww 可改变频率，RW 为频率调节电位器。
改变电容C 也可调节频率，通过开关，以10倍地切换容量可获得10倍的频率档位扩展。
四、f 范围设计补充
电位器主要是完成频率调节功能，它是通过调节积分器的输入电压幅度来调节频率的。
它和
R 6
一起决定分压
a w ，根据设计要求的频率调节范围确定。
设频率调节范围：
f max /f min =10，则要求a w 变化范围是0.1～1。
电位器滑动端到上端时，a w =1，在最下
端时a w =0.1，要求：
6
6R =0.1R +RW
即R 6=RW/9
实际上，为覆盖所要求的频率范围，比值要稍小于0.1才能得到比较好的结果。
同时也考虑对稳压二极管的负载效应，电阻取值不能过小，取电位器RW 阻值：
Z
Z
V RW=
0.1~0.2I （）
五、积分电路元件R 5、C 设计补充
R 5和C 的值应根据振荡频率f 来确定，当R 1和R 2的vvv 值确定后，由频率计算公式
w 251a R 1
f=
=T 4R R C
确定。
当频率取最大值f max 时，a w =1，有：
R 5C 的
值确定之后，R 5的大小可由以下几个方面考虑：R 5
2
51max
R R C=
4R f
取值大，有利于提高积分器的输入电阻，但会是电容C减小，加剧积分漂移。
R5取得过小，则电容C将增大，而大容量电容又有漏电和体积大方面的问题，所以，R5和C的选择原则应该是：在满足积分器输入电阻的情况下，尽量选取较小的电阻R5和较大的电容C。
一般取R5≥（5~10）RW，但积分电容一般都不超过1uF为宜。
按十的倍率改变C，理论上频率将有相应的十倍率变化。
积分器的平衡电阻R7≈R5。
六、附总电路图
调试步骤：
1.根据原理图在面包板插好电路
2.加上电源，在R16 R17 RBW5接上示波器探头，看看是否有三角波正弦波方波出现。
3.如果没有方波就检查RW1之前的电路，看看是否有短路开路以及元件是否接错，原件是否有烧坏
4.如果有方波没有三角波就检查RW1到R16的电路，看看是否有短路开路以及元件是否接错，原件是否有烧坏，以及集成芯片是否有工作电压
5.如果有三角波方波没有正弦波，就调节RW3和RW4，还有检查电路是否出问题
6.这三个波形都出来之后，调节各个电位器，使各点的输出的幅度一样，再加入后面的统调电路。
7.统调电路接好之后，先再函数信号输出几个同幅度的方波三角波正弦波，加到统调电路上，如果正常工作就直接加上后面的电路，如果不正常就检查电路，看看哪里有问题，按上面的步骤检查，统调正常工作之后再加入电路。
8.统调之后按要求调出幅度频率记录数值
实验心得：
本次实验学会了分析电路，先部分，再整体，部分再分各个元件，有可变元件的接上电路之后把可调元件都调一遍，看是否达到所需要的要求，最主要的还是心细认真，分析。