函数信号发生器的设计

1、1 1）同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波）同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波1 1、设计内容：设计一个低频函数信号发生器、设计内容：设计一个低频函数信号发生器2 2、性能与技术指标、性能与技术指标2 2）频率范围：）频率范围：10Hz 10Hz 10KHz10KHz连续可调连续可调. .3 3）方波幅值）方波幅值10V10V。一、设计任务书一、设计任务书4 4）正弦波幅值）正弦波幅值10V10V，失真度小于，失真度小于1.5%1.5%。5 5）三角波幅值）三角波幅值20V20V；各种输出波形幅值均；各种输出波形幅值均连续可调。连续可调。低频函数信号发生器的设计振荡部分振荡部分输出电路

2、输出电路输出输出频率调节频率调节幅度调节幅度调节频率指示频率指示幅度指示幅度指示函数信号发生器的原理框图函数信号发生器的原理框图 信号产生部分的多种实现方案信号产生部分的多种实现方案 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数字电路的实现方案，一般可事先在存储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，再用器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函逐点恢复。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、数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高以

3、及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来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低时，具有较实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高好的波形质量。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，而较难产生高频信号（如比较适合低频信号，而较难

4、产生高频信号（如 1MHz）。）。模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产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。如采用和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号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。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

5、度的限制，本实验的信号产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案。生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。 模拟电路实现信号产生电路的多种方式模拟电路实现信号产生电路的多种方式方案一方案一 正弦波正弦波uo1方波方波uo22121RRCfo:调频振荡器3267415U1UA74132%RVB10kC10.1uC20.1u-12v12vu1OP9%RV1D11N4007D21N4007R1R310kR23k单元电路单元电路方案二方案二 用迟滞用迟滞比较器比较器与与反相积分器反相积分器首尾相串联构成首尾相串联构成方波方波- -三角波三角波产生产生电路，然后，采用

6、电路，然后，采用差分放大器差分放大器，作为三角波，作为三角波正弦波变换电正弦波变换电路利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，此电路的输出路利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，此电路的输出频率就是就是频率就是就是方波方波- -三角波三角波产生产生电路的频率电路的频率. .3267415U1UA7413267415U2UA741C11ufR32kuo1SW1SW-SPDTC210uuo2ABCDD11N5235BD21N5235B单元电路单元电路10kC1100uR715kR815kR56.8k12V100R93k-12vR116.8kC2100uRV3(2)V=-0.638869RV3(1)V

7、=-0.638995Q12N2926Q22N2926Q32N2926Q42N2926R430kC30.1u10kR8(2)V=6.97652R7(2)V=8.28483uo3V=-1.3461Q1(B)V=-0.00572449SW2AMFM+-ABCD单元电路单元电路设计实验电路参数注意：采用设计实验电路参数注意：采用RC振荡正弦波振荡正弦波/方波方波/三角波三角波输出方案，输出方案， 首先必须计算的文氏电桥振荡频率外，首先必须计算的文氏电桥振荡频率外，其次还要计算作方波三角波变换积分电路的参数，使其其次还要计算作方波三角波变换积分电路的参数，使其积积分分电路的电路的R3C3之积之积 正弦波

8、正弦波振荡电路的振荡电路的R1C1之积！否则，之积！否则，可能影响可能影响三角波三角波形的正常输出！形的正常输出！3267415U1UA74115%RVB10kC10.1uC20.1u-12v12v3267415U2UA74112v-12v3267415U3UA741C30.1uuo112V-12V80%RV110kABCD100%RV415kuo2uo350%RV310kR11kR310kR42kR5470R6150kR23kD11N4001D21N4001D31N5235BD41N5235BR110kSW1SW-SPDT方案三方案三正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波另一种电路方式

9、是，由三角波、方波发生另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图所示。框图如图所示。正弦函数转换电路比较器积分器正弦波方波三角波这种电路在一定的频率范围内，具有良好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。的单元电路分析中详细介绍。 该电路方式是本实验信号产

10、生部分的推该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。荐方案。函数转换是指：把某种函数关系转换成另函数转换是指：把某种函数关系转换成另一种函数关系，能完成这种转换功能的电子电一种函数关系，能完成这种转换功能的电子电路就称为函数转换电路。常用的函数转换电路，路就称为函数转换电路。常用的函数转换电路，如半波、全波整流电路，就是把正弦波形转换如半波、全波整流电路，就是把正弦波形转换成半波和全波波形的函数转换电路。本实验需成半波和全波波形的函数转换电路。本实验需要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压要讨论的是，把三角电压波形转换成正弦电压波形的正弦函数转换电路。波形的正弦函数转换电路。正弦函数转换电路

11、从转换原理分析，有多种方法能完成这一从转换原理分析，有多种方法能完成这一转换功能，常用的有：转换功能，常用的有： ttttVtvm 7sin715sin513sin31sin8)(2222滤波法的转换原理是，把峰值为滤波法的转换原理是，把峰值为Vm的三角的三角波用傅里叶级数展开：波用傅里叶级数展开： 滤波法滤波法 运算法运算法 折线法折线法由上式可以看出，若三角波的频率变化范由上式可以看出，若三角波的频率变化范围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波，保围不大，则可用低通滤波器滤去高次谐波，保留基波成份，正弦波与三角波之间具有固定的留基波成份，正弦波与三角波之间具有固定的幅度关系。但若三角波的频率

12、变化范围较大幅度关系。但若三角波的频率变化范围较大（如本实验的频率变化范围是（如本实验的频率变化范围是1000倍），要设倍），要设计一个对截止频率具有跟踪功能的低通滤波器计一个对截止频率具有跟踪功能的低通滤波器就相当困难、不易实现。因此，就相当困难、不易实现。因此，滤波法只适用滤波法只适用于频率变化范围很小，最好是固定频率的应用于频率变化范围很小，最好是固定频率的应用场合。场合。 运算法的转换原理是，把展开成幂级数形运算法的转换原理是，把展开成幂级数形式：式： !7!5!3sin753xxxxx由上述关系容易看出，取幂级数的前几项由上述关系容易看出，取幂级数的前几项（根据转换精度的要求），可以

13、通过对线性（根据转换精度的要求），可以通过对线性（三角波）变化量（三角波）变化量x的运算来近似表示成的运算来近似表示成 sinx，但要求三角波的幅度但要求三角波的幅度Ra1，所以，上式又可简化为：，所以，上式又可简化为： VRRVVbaDO1111 取取VD=0.6V，则，则 kRVRab67378. 011（选（选670 k）。）。 对于其它区段内各对于其它区段内各电阻参数的计算，同理电阻参数的计算，同理可以进行计算和选取。可以进行计算和选取。vivoRa2=9.13 k(选选9.1 k), Rb2=72.22 k(选选75 k); Ra3=1.88 k(选选1.8 k), Rb3=10.9

14、7 k(选选10 k). 二极管网络二极管网络：逐段校正。逐段校正。运放运放：电压跟：电压跟随器，作为隔随器，作为隔离，称为缓冲离，称为缓冲级。级。三极管三极管：电压：电压跟随器，提供跟随器，提供参考电平。参考电平。 正弦函数转换方案2在输入信号的正半周内，应由在输入信号的正半周内，应由D1D3实现逐段校正；在输入信号的负实现逐段校正；在输入信号的负半周内，应由半周内，应由D4D6实现逐段校正。实现逐段校正。 设硅二极设硅二极管的开启电压管的开启电压为为0.5V，所以，所以各二极管的动各二极管的动作电平作电平V1 V3应设置为：应设置为：vivoV88. 05 . 038. 15 . 011

15、OVVV99. 15 . 049. 25 . 022 OVVV59. 25 . 009. 35 . 033 OVVvivo 在在0T/14区段内区段内D1D6均不导通，均不导通，所以所以vo=vi。 在在T/14T/7区段内区段内仅有仅有D1导通，导通，D2 D6均截止。此时，均截止。此时，545RRRvvIO 414Im54512TVRRRTVVOO 即书上的式子：即书上的式子：78. 0545 RRR若选若选R4=2.2 k，则则R5= 7.8 k。vivo 在在T/73T/14区段内区段内D1、D2均导通，均导通，所以有所以有65465/RRRRRvvIO 4/14Im6546523TV

16、RRRRRTVVOO 即即42. 0/65465RRRRR代入已知数据后得代入已知数据后得R6=2.01 k，取，取 R6=2 k。vivoD1 D3 均导通，均导通，输出电压被二极管输出电压被二极管D3嵌位，所以嵌位，所以vO = V3 + 0.5 V = 3.1V。（对这。（对这一段的校正与方案一段的校正与方案1不不同）。同）。 在在3T/144T/14区段内区段内 图中的图中的V1 V3 ，是通过由跟随器组成的，是通过由跟随器组成的电压源，再经分压后得到的。因此，电压源，再经分压后得到的。因此，分析和实验结果分析和实验结果表明，当输入三角波表明，当输入三角波在在T/2内设置六个断内设置六个断点，以进行七段校正点，以进行七段校正后，可得到正弦波的后，可得到正弦波的非线性失真度大致在非线性失真度大致在1.8 % 以内，若将断以内，若将断点数增加到点数增加到12个时，个时，正弦波的非线性失真正弦波的非线性失真度可在度可在0.8 % 以内以内(实实测值为测值为0.42 %)。vivo这里介绍的两种有源这里介绍的两种有源正弦函数转换网络，基本设正弦函数转换网络，基本设计思想都是将三角波进行逐计思想都是将三角波进行逐段校正，使之输出逼近正弦段校正，使之