函数发生器设计多功能信号发生器设计

1、多功能信号发生器设计一、设计任务设计一个多功能信号发生器，要有如下：、输出信号波形的形式：正弦波、三角波、方波、单次脉冲。、输出信号的频率：20Hz2kHz，连续可调。3、输出信号的幅度：1Vp-p10Vp-p,连续可调；单次脉冲：低电平W0.4V,高电平3.55V。4、输出信号直流电平调节范围：-5V+5V。5、输出信号波形精度：正弦波失真度W2%;三角波的线性度W1%;方波信号的上（下）升沿时间W2S。二、设计方案分析信号发生器在科学实验、电子测量、自动控制、设备检测、无线通讯等领域有着广泛的应用。信号发生器的基本功能是可以提供符合一定技术指标要求的电信号，其波形、频率、幅值均可以调节。实

2、现信号发生器电路的方案很多，其特点也不同，主要有模拟电路实现方案、数字电路实现方案和模数混合实现的方案。1、采用单片机控制技术实现的信号发生器该方案的主要思路是采用编程的方法来产生希望得到的波形，用户将要输出的波形预先存储在半导体存储器中，在需要某种波形时将储存在存储器中的数据依次读出来，经过数模转换、滤波等处理后，输出该波形的信号。该方案优点是输出信号的频率稳定，抗干扰能力强，实现任意波形的信号容易，可通过外置按键或键盘来设定所需要产生信号源的类型和频率，还可以通过显示器显示出波形的相关信息。不足之处是由于单片机的处理数据的速度有限，当产生频率比较高的信号时，输出波形的质量将下降。2、利用直

3、接数字频率合成（DDS）集成芯片实现的信号发生器随着大规模集成电路制作技术的发展，采用直接数字频率合成技术实现的信号产生集成芯片应用越来越广泛。DDS集成芯片内部主要由相位累加器、波形存储器、高速D/A转换器等环节组成，在时钟脉冲的控制下，相位累加器对输入的频率控制字不断进行累加得到相应的相位码，同时相位码序列作为地址信号去寻址波形存储器进行相位码到幅度码的转换，并输出不同的幅度编码。这一系列不同的幅度编码经过D/A转换器得到相应的阶梯电压信号，最后经过低通滤波器平滑，即可输出相应的信号。一般集成DDS芯片内部时钟脉冲的频率固定，其相位累加器位数也不变，所以只需改变频率控制字即可实现输出信号频

4、率的变化。利用DDS集成电路设计的信号发生器具有输出频率高，频率稳定度高，输出频率分辨率高，易于实现全数字控制等优点，是目前设计高精度、高性能信号发生器的首选方案。目前典型的DDS集成芯片有AD9850、AD9851、AD9852和AD9834等。3、利用专用函数发生器集成电路实现的信号发生器利用集成函数发生器专用芯片可以方便的实现多种波形的输出，而且外围电路简单，调试容易。例如早期的函数发生器集成芯片有ICL8038、BA205、XR2206/2207/2209等，这些芯片的不足时输出信号的频率不高，最大仅有几百kHz，调节方式不灵活，频率和脉冲信号的占空比不能独立调节。MAX038是美国M

5、AXIM公司推出的新一代单片函数信号发生器，MAX038内部含有精密带隙电压参考、鉴相器和TTL同步输出，可以采用较少的外部元件构成一台高频函数发生器，也可单独用作电压控制振荡器、频率调制器、脉宽调制器、锁相环、频率合成器和FSK信号发生器，它的主要特点有：0.1Hz20MHz的输出频率调节范围，350：1的扫频范围，10%90%的占空比调节范围，可以输出正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波等波形，且频率和占空比调节互不影响，是目前较为理想的函数发生器集成芯片。4、采用分立器件组成的信号发生器过去传统的信号发生一般采用这种方式，该方案一般采用集成运算放大器外加电阻、电容等元件，构成方波、三角波

6、发生器，然后将三角波信号或方波信号转换成正弦波信号输出；也可以直接采用RC正弦波信号发生器产生正弦波信号。该方案的缺点是输出信号频率较低，输出的波形质量差，输出频率调节范围小，电路复杂且体积大，但由于本设计的信号发生器要求输出信号的频率不高，再加上电子技术课程教学内容的限制，所以本设计可采用由集成运算放大器组成的信号发生器，该电路的组成框图如图所示。图1多功能信号发生器组成框图、主要单元电路参考设计1、压控方波一三角波产生电路图2压控三角波一方波发生器电路及输出波形图输出信号频率可以通过调节电阻或电容来实现，也可以通过改变输入电压的大小来完成，图就是由集成运算放大器组成的压控方波一三角波信号发

7、生器。该电路主要有Ai组成的积分器和A2构成的施密特触发器组成，电路的工作原理为：在给定电路参数下，集成运算放大器Ai的同相端电位等于Ui/2,假设由A2构成的施密特触发器的输出U02为Wz,此时A2的同相输入端电位为下门坎电压值VT_=-R一VZ,三极管T截止，给电容C一R1R2u充电的电流为i=Ui,Ai的输出Uoi线性下降。当Uoi等于施密特触发器的下门坎电压Vt-2R时，触发器翻转，U02输出立即变为+Vz,A2的同相输入端电位立即变为上门坎电压值VT+=R1VZ,同时三极管饱和导通，假设三极管的饱和压降为零，则流过三极管的RiR2电流等于2i,所以流过电容C的电流为4,电容放电，Ai

8、的输出电压U01线性增大。当U01增大到等于施密特触发器的上门坎电压Vt+时，U02输出立即变为-Vz,A2的同相输入端电位再次变为下门坎电压，三极管截止，积分器电容再次被充电，这样周而复始，在uoi输出端可以可到标准的三角波，在U02处可以得到正负对称、占空比等于50%的方波。输出波形图见图。输出信号的频率计算如下：设电容的初始值为V，则在Ti内Uoi输出电压表 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 1U.一达式为：u01=VT+fidt=VT+t,当t=Ti时，Uoi=Vt+,所以 HYPERLINK l bookm

9、ark12 o Current Document 一C-2RC5Vt+=Vt_+Ti,又因为Ti=丁2,Vt+=_Vt_,所以输出信号的频率:一2RC一f=一1一UI=R+R2Ui,可见输出频率与输入电压成正比。2Ti8RCVt+8RRCVz参数选定：集成运算放大器选择高输入阻抗、宽带、高精度的运算放大器LF353。双向限幅稳压管选择5V/1W的稳压二极管。电阻Ri=R2=10kQo选择积分电容C=1000pF的漏电小、稳定性好的电容。电阻R=100kQ0所为当要求输入电压在05V变化时，输出信号的频率为02.5kHz。完全满足设计要求。电位器Rpi是用于调整输出方波的占空比，调节Rpi使输出

10、方波的占空比为50%。为了使输出三角波白峰一峰值等于10V,经运算放大器A3放大后完成。实际电路如图，集成运算放大器的供电电源为土12V,注意加入滤波电容。UiR5Ui/2R510kIliR6 uo1Rp2 20kp三角波A3LF353HZ100k 51kLF35347kVp 1卜5kR1Rp1R33k90131000pF七51k R/2R图3三角波一方波信号产生电路AiA21kR2LF353 R410k10kuo2T方波 WzDW5V/1W2、三角波/正弦波转换电路实现正弦波信号发生器的电路很多，可以通过RC或LC正弦波信号振荡器直接产生，也可以将方波或三角波信号转换成正弦波，下面介绍利用三

11、角波转换成正弦波信号的工作原理。图4所示电路是一个可变比例衰减器，随着输入三角波绝对值的增大，电阻r按着一定的规律减小，反之r则增大。如果这个变化规律符合三角波和正弦波的幅值间的比例，则在电阻r上得到的是正弦波输出。Ui RUi图4三角波转换正弦波的基本原理图用于三角波一正弦波转换的实际电路如，它是采用分段折线的方法实现转换的。假设输入信号Ui为正半周，当输入三角波电压较小时，DiD6全部截止，此时输出/输入的特性曲线OA段的斜率为：du。RfKOA=二ZZZZZ-dUi(RiR2)/(R3R)/(R5R6)适当的选择电阻RiR6的阻值，可以使Di、D2、D3分别导通时对应不同的输入电压。设二

12、极管为理想元件，则当输入电压Ui增大到Ri+R2Vref时，二极管Di导通，要求D2、D3R2截止，则L点的电位被嵌位到Vref,此时特性曲线AB段的斜率为：duoRfKAB_ZZZZ-dUi(R3R4)/(R5R6)当输入信号Ui进一步增大到R3+R4Vref时，二极管Di、D2导通，要求D3截止，则L、R4dURfM点的电位均被嵌位在Vref,此时特性曲线BC段的斜率为：KBC=-0=dUiR5R6当输入信号Ui增至IJR5+R6Vref时，二极管Di、D2、D3全导通，则L、M、N点的电位dU.全被嵌位在Vref,此时特性曲线的斜率为：KcD=-0=0。同理，当输入信号Ui为负半dUi周

13、时，D4、D5、D6依次导通，输出特性曲线的与Ui正半周时对称。可见，如果分段越多，三角波转换正弦波的精度也越高，但是采用的二极管、电阻也越多，电路复杂。图5分段折线三角波转换正弦波电路图设输入三角波的幅值是5V,基准电压Vref选择等于IV。在U正半周时，选择3个转折点，要求在300时Di开始导通；在60时D2开始导通；在80时D3开始导通，对应的三波的输入电压分别为1.67V、3.33V、4.44V。所以一R一&0.6,一R一定0.3,R1R2R3R4一-一之0.23。在假定其中的一个电阻参数下，可以确定另外一个电阻的大小。为了抵D7、D8,同时该二极管还可RR6消二极管DiD6的导通压降

14、的影响，实际电路中增加了二极管以起到温度补偿作用。一个实际的三角波转换正弦波的电路如图所示。ui390 R1R5Vref 1VDiD2D3620 Q620 QR38X1N4148 D4D5D6D778L051kRf180 AR6LF353uo p_270 QR4 门工R2 620 -Vref-1VD8/fl IuF1k79L05+ 12VoLL-12V-Q图6三角波转换正弦波电路41.5V?国2,E三角波-正拉波变换电路|5.6kf2-J5V3、信号输出电路这部分电路较为简单。对该电路的要求是应该具有一定的驱动能力，具有较宽的频带和较高的转换速度，同时应该加入直流偏移电压，使输出信号可以在一直

15、流电位上、下平移。图中，Rwi是输出信号的幅度调节，Rw2是直流偏移电压调节。图7信号输出电路4、单次脉冲产生电路单脉冲对于观察数字集成电路的触发特性及数字系统电路的状态检查非常重要。对于单脉冲电路的要求为：当按键S按下时，uo输出脉冲上升沿；当按下按键S不动时，输出脉冲保持高电平不变；当松开按键S时，输出脉冲下降沿。图即可完成上述功能。图8单次脉冲产生电路四、系统安装与调试1、在安装电路之前，请仔细查阅有关集成电路器件的使用信息，测量有关元件的好坏。2、画出每个单元电路的安装使用的电路图及整个系统的电路图。3、在进行每个单元电路测试之前，均要测量电源对地、正负电源之间、电路的输出对地等是否存

16、在短路现象。确定正确无误后，方可加电。4、压控三角波一方波信号的调试。用示波器观察输出三角波和方波的波形，调节电位器Rpi使输出方波的占空比到50%；然后调节输入电压的变化，观察输出波形频率的变化情况，是否满足设计要求；同时调节电位器Rp2使输出三角波的幅值满足设计要求。5、三角波转换正弦波电路的调试。将一个输出幅值Vp-p=10V的三角波输入到电路中，调节电位器，使基准电压等于1V和-1V,观察输出信号的波形。调节输出幅值调节电位器Rp3,使输出信号的幅值满足要求。6、将三角波信号、方波信号、正弦波信号分别接到输出电路中，观察输出信号的波形；调节直流偏移电位器，观察输出信号的变化。7、单次信号发生器调试。给该电路加上+5V的直流