BEST-低频函数信号发生器的设计解读

1、低频函数信号发生器的设计、设计任务设计一个低频函数信号发生器。、设计要求1. 同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波2. 频率范围：10 Hz 10 kHz ；3. 频率稳定度：f f。岂10日；4. 频率控制方式：（a）通过改变RC时间常数控制频率（手控方式）；（b）通过改变控制电压 U实现压控频率（即 VCF,常用于自控方式。即f =f（UJ（U=110）,为确保良好的控制特性，可分三段控制: 10 Hz 100 Hz 100 Hz 1 kHz 1 kHz 10 kHz5. 波形精度：方波上升时间和下降时间均应小于2s【如图8-1 （a）】;三角波线性度:U om1%【如图8-1 （b）】

2、;1#正弦波 谐波失真度：送u2/U 400 mA （峰-峰值）时，输出三极管自动限流，以免损 坏电路元器件。28. 采用数字频率显示方式。3图8-1方波、三角波的技术指标*_L、人三、方案讨论根据实验任务的要求，对信号产生部分，一般可采用多种实现方案：如模拟 电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合的实现方案等。数字电路的实现方案，一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用 D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储 点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低， 是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。这种方案在信号频率较

3、低 时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率， 或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量 输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频 （如1MHZ信号。模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号波形， 而用数字方式 改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控 放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路 的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采 用全模拟电路的实现方

4、案。对于信号产生电路的模拟电路实现方案， 也有几种电路方式可供选择。如用 正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产 生三角波，电路框图如图8-2所示。这种电路结构简单，并具有良好的正弦波和 方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号， 存在较大的难度。原因 是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电 路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改 变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求， 实际上是非常困 难的。另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号， 然后通 过函数转换电

5、路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图8-3所示。这 种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波 形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。 该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出级 只需采用不同的负反馈方式便可。 即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求电 流输出时，采用电流负反馈。这也将在单元电路分析中进行详细介绍。由所选方案及组成电路的形式，可以初步分析该实验在实现上述技术指标时 的关键和困难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用 测试设备

6、进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。 因此，在实验的设计、制作及测试过程中，应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标 参数的电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。对于方波信号的上升时间和下降时间， 则可用实验室中的示波器进行检测， 该项 技术指标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波、方波发生 器和输出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取。正弦波方波图8-2模拟电路实现方案1正弦函数 转换电路正弦波4#- 积分器 比较器方波图8-3模拟电路实现方案2四、单元电路分析1. 三角波、方波发生器（1）比较器+ RC电路由运算放大器A

7、、F0、Ri、艮、DZi和DZi组成的滞回比较器与RC电路组成的三#角波、方波发生器电路如图8-4所示 图8-5所示。其输出电压U0和电容器C上的电压U如#R图8-4比较器+ RC电路u叫Uc图8-5比较器+ RC电路波形#由波形图可以看出，在比较器没有翻转之前，U0为一常数（如U-Vz ）VzU0通过R对C充电，U由R1 - r2 逐渐上升，随着U的增大，R两端的电压将 逐渐下降，故充电电流ic也将不断减小，使UC上升速度减慢，从而使 U形成了 典型的RC电路的充放电波形（按指数规律变化）。这样的UC由于线性度非常差， 显然不能当作三角波使用。改进 UC线性度的有效方法，是在充放电过程中保持

8、 ic的恒定，即对电容 C恒流充放电。使.恒定的办法有多种，其实质都是利用BJT或FET的恒流特性，再引入电流负反馈而形成的恒流源电路。图8-6 (a)、(b)、(c)是三种恒流源电路，只要把其中的某个电路取代图8-4 中的R,便可获得较为理想的三角波波形。各个恒流源电路的恒流原理请读者自 行分析，这里不再讨论。图8-6三种恒流源电路(2)比较器+积分器由积分器A与滞回比较器 A等组成的三角波、方波发生器电路如图 8-7所 示。在一般使用情况下， 呛 和U?2都接地。只有在方波的占空比不为 50%或三 角波的正负幅度不对称时，可通过改变 U.1和U?2的大小和方向加以调整。R图8-7三角波、方

9、波发生器图8-7所示的三角波、方波发生器电路，在U：1和U?2都接地时的波形如图8-8所示。对称调节点u：1和零位调节点U?2电压调整原理如下： 对称调节点U.1稳态时，Ui波形可表示成：Ui（t）二U1（O） - Uo2 一 U二1 tRCU02 二 Vz 时，U 01 (0)二RRVz ；而当 t 二 Ti 时，U 01 (Ti )2Vz，故R32R；T1 =亠2理VzVz -Vz1R3当U02= -Vz 时，Uoi(O)RR2 Vz ；而当 t=T2 时，ui（T2）Vz，故R3R3RCR2Vz Vi 2r3Vzr2=T2 =2RC所以，当U0时，R3，波形的占空比为50%当喝0时，T1

10、 T2 ；堆10时，T1 0，则三角波上移；若U?2R1，所以，上式#RlRm =Vcc Ra1 =673 2又可简化为：Uoi : Udi -Vcc,取Ud!=0.6V则有0.78（选Rb1670 k Q）o对于其它区段内各电阻参数的计算，可以按照类同的方法进行计算和选取， 这里不再赘述。（2）正弦函数转换电路方案2图8-11正弦函数转换电路方案2正弦函数转换电路方案2的原理电路如图8-11所示。D D6组成二极管网 络，实现逐段校正，运放A组成跟随器，作为函数转换器与输出负载之间的隔离 （或称为缓冲级）。按图8-9的要求，在输入信号的正半周内，应由 D1 D3实现逐段校正。考 虑到硅二极管

11、的开启电压为0.5V，所以U 应按下列直流电压值设置各二极管 的动作电平：U1 = Uo1 -0.5 =1.38 -0.5 二 0.88VU2 二 Uo2 -0.5 =2.49-0.5 =1.99VU3 =Uo3 -0.5=3.09-0.5=2.59V于是在0 T/14段内，D D6均不导通，所以U o1 _ 1 U imT14 一 T 4在 T/14 T/7段内，仅D1导通，故有U o1 - U o2 _ R 5U imT 14_ R4 R5 T 4R5代入图8-9中的具体数据后，得:R4R5=0.78若选巳=22 kO，则 Rs = 7.8 kC 在T/7 3T/14段内，D、R均导通，所

12、以有時Rs / R 6 U imR4 R5/R6T4代入数具体数据后，得:Rs / R6R4 R5 / R6= 0.42上式代入已知数据后得到 =2.01k.】，取 =2k。 在3T/14 4T/14 段内，D D3均导通，输出电压被二极管 B嵌位，所 以VO = Va + 0.5 V = 3.1V （对这一段的校正与图 8-9不同）。图8-11中的Vi Va，是通过由跟随器组成的电压源，再经分压后得到的。因此，为使电压源内阻不影响各个转折电压，分压器的阻值应选得远小于民和民。显然，-V1-V3也是通过另一个负电压源提供的。分析和实验结果表明，当输入三角波在T/2内设置六个断点，以进行七段校

13、正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在 1.8 %以内，若将断点数增加到12 个时，正弦波的非线性失真度可在 0.8 %以内（实测值为0.42 %）。利用正弦函数转换电路，可以将三角函数转换成正弦函数。 这里介绍了两种 有源正弦函数转换网络。这两种转换网络的基本设计思想都是将三角波进行逐段 校正，使之输出逼近正弦波。3. 输出级电路根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式。（1）电压源输出方式电压源输出方式下，负载电阻R通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要求有一定的输出电压。同时，当负载变动时，还要求输出电压的 变化要小，即要求输出级电路的输出电阻 R足够小。例如，当R

14、_=100Q 1k Q时，若要求亠 =1%，即意味着要求：Uo0.01U1001k12为此，必须引入电压负反馈。运算放大器的输出电阻通常为1kQ以下，当引入电压负反馈后，如希望 R=1Q，则要求：设运放的Ad二1。4，则F应大于0.1，这是容易满足的。如图8-12 （a）电路的闭环增益R F，故要求Avf10图8-12 (a)电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的Vcc和Vee分别为土 15V时，则Vopp = (12 14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必 须采用电压扩展电路，如图8-12 (b)所示。13图8-12电压源输出方式图 8-12 (b)所示电路中，Vb1 = 1

15、5V+V, Vb2 = UO- 15V,所以 幺-V = 30V。 可见对运放而言，其供电电压(VCc- Vee)仍接近30V,只是二者随VO而浮动。如 考虑到R2、R上的电压至少为4V,则VOpp可达：( 45- 15-4) = 26V。当VO = +26V时，Vb1 = 15+26 = 41V，V = 26 - 15 = 11V;而当 VO =-26V时，V = 11V，Vb2 = - 41V。(2)电流源输出方式在电流源输出方式下，负载希望得到一定的信号电流，而往往并不提出对输 出信号电压的要求。同时，当负载变动时，还要求输出电流基本恒定，即要求有 足够大的输出电阻R。例如，当R- =

16、0 90Q时，若要求900=9kIo0.011。丄=1%Io即意味着要求:#为此，需引入电流负反馈。若运放的输出电阻 R = 1 k Q,贝U要求：Ro f1 AgFr厂 一9Ro设运放 A =104，即当VoP =10 V时，要求Vd = 1 mV。若Ro= 1 k Q ,则输出I10mA短路电流I o s =10V/1 k Q =10 mA由此可以估计出ag =亠 =10，所Uid 1mV以要求FR 牛 8UfIoR 2 R5R2 Rf R514FrR 2R5R2 R F R 5A VfUiIoRlUf具体计算参见图8-13图8-13电流源输出方式图8.13所示电路中，运放的最大输出电流通

17、常在 10 20 mA，如负载要求有更大的输出电流，则必须进行扩流，如图8-14 （a）、（b）所示15图8-14电流源输出的扩流电路图8-14（ a）为一次扩流电路，T1和T2组成互补对称输出。运放的输出电流I a中的大部分将作为、T2的基极电流，所以Io = B Iao值得注意的是，三极管B值应在额定电流下测得，它通常要小于小电流条件 下的B值。并且，当运放输出电流I A增大时，运放的最大输出电压幅度也随着 减小（不再能达到（ 1214 ） V）。图8-14 （b）为二次扩流电路，用于要求负载电流Io较大的场合。复合管、T2和T3、T4组成准互补对称输出电路。图8-14 （a）、（b）中，

18、输出三极管发射极上的电阻 R用来稳定三极管的工 作电流，但它们与输出负载R相串联，应尽可能减小其上的压降。通常取R=（0.05 0.1） R lo图8-14 （b）中，R和F3的数值应远大于T3、T4级的输入电阻R3和R4 ,以 尽可能减少信号分流。大功率管 T3、T4的氐较小，通常为几十欧。所以常取 R1 = 恳=几百欧。R2为平衡电阻，它用来提高复合管 T2、T4的输入电阻，以期和 复合管T1、T3的输入电阻对称，所以取 Fb = R1 / R i3 （约几十欧）。在调试时， 通常还可以进行调整，以使最大输出电流在正、负向对称。（3）功率输出方式在功率输出方式下，负载要求得到一定的信号功率

19、。由于三极管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小的负载。电路通常接 成电压负反馈形式。如用运放作为前置放大级，还必须进行扩流。当 R较大时， 为满足所要求的输出功率，有时还必须进行输出电压扩展。图8-15为功率放大电路。静态时，运放输出为零，-20V电源通过下列回路：运放输出端f Rf DZf bif eif- 20V向Ti提供一定的偏置电流20-Vz -0.7图8-15电路中的各个电路参数，大家可按具体要求进行计算。这里着重说 明功率三极管T4、T5和互补对称级晶体管T2、T3的选用问题。16#(a)功率管T4、Ts的选用功率管的选用主要考虑三个极限参数：即 VbR

20、(CEO、I CM和PcM。 T4、T5在电路中可能承受的反向电压最大值：VcEmaF VCc+VOm 2VcC= 40V (截止时)； 流过T4、T5的最大集电极电流为：IcmaxVcc / (R l+R)(接近饱和时)； T4、Ts可能承受的最大功耗，按教材中对乙类功率放大器的分析，应为：PC max#实际上，静态时，T4、T5中通常还有几十mA的静态工作电流Icq#产生管耗 (I CQVCC)，选管时应予考虑。可见，要求所选用的管子 Vbr(ceo)2Vx ， I cmVd(/(R l+R)和Pcm0.2) I cqVcc且两只三极管的B值应尽量对称(特别是在最大电流I Cmax 时)。

21、(b)互补对称三极管T2、T3的选用 T 2、T3的耐压仍应按VbR(CEO2Vx选择； 考虑到T2、T3管集电极电流在 艮、R上的分流作用，它们的最大值可近Ic2max = （1.1 1.5）lB4max = （1.1 1.5）似估计为：4；5PC2max =（1.1 1.5） T2、T3的最大功耗通常也按下列公式估计：4 。T i为小功率管，但其耐压也应按2Vcc选用，R为其集电极负载，最好用一恒 流源取代。C5为消振电容，其电容值通常为 100pF左右。调节电位器 R可改变 输出晶体管T2T5的静态工作电流，以克服交越失真。Ti管的静态工作电流通常设置在5mA左右，以适应T 2级拉电流负