函数信号发生器的设计.ppt

1、1）同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波,1、设计内容：设计一个低频函数信号发生器,2、性能与技术指标,2）频率范围：10Hz 10KHz连续可调.,3）方波幅值10V。,一、设计任务书,项目三 函数信号发生器的设计,4）正弦波幅值10V，失真度小于1.5%。,5）三角波幅值20V；各种输出波形幅值均连续可调。,低频函数信号发生器的设计,二、总体方案讨论,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,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

2、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，而较难产生高频信号（如 1MHz）。,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

3、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案。,模拟电路实现信号产生电路的多种方式,方案一,RC文氏电桥振荡器产生正弦波，方波-三角波产生电路可正弦波振荡器采用波形变换电路, 通过迟滞比较器变换为方波,经积分器获得三角波输出。此电路的输出频率就是就是RC文氏电桥振荡器的振荡频率.,RC 正弦波振荡器,迟滞 比较器,积分器,正弦波uo1,方波uo2,三角波 uo3,过压,文氏电桥振荡器：fo=1/2RC； 正反馈电路：RC串并选频网络决定RC振荡器的振荡频率fo。 负反馈电路：R1和R2决定起振条件

4、，调节波形与稳幅控制。 R3并联D1.D2：正向非线性电阻 起振时：电阻大负反馈小； 振荡幅值大时：电阻小负反馈大，整形限幅。,单元电路,RC文氏电桥正弦波振荡电路,电路调整的关键是：负反馈电路中的电位器RW的调节， RW过大：输出方波！ RW过小：电路不起振！,方案二,用迟滞比较器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，然后，采用差分放大器，作为三角波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，此电路的输出频率就是就是方波-三角波产生电路的频率.,迟滞 比较器,积分器,正弦波 uoz,方波uof,三角波uo3,差分 放大器,方波/三角波产生电路：由迟滞比较器与积分器首尾相串联

5、构成。 电路输出频率fo =R2/(4R1RpC)；三角波输出电压： Uo2=Vz*R1/R2,用差分放大器做三角波/正弦波变换电路,三角波/正弦波变换原理： 用差分对管的饱和与截止特性进行变换：差分放大器电流恒 定并要求：传输特性对称线性区尽可能窄；三角波的幅值Vm 应使输出接近晶体管的截止电压；,单元电路,差分放大器电路 主要由Q1Q2等 构成。其中Re用于 减小差放的线性 区，Rp2对称性调 节，C3滤波电容。,恒流源由Q3.Q4. Re3. Re4与Rp3构成，为 差分放大器提供恒定 电流。 Io=Ri= =Vee-0.7/(Rp3+Re4),单元电路,设计实验电路参数注意：采用RC振

6、荡正弦波/方波/三角波输出方案， 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，使其积分电路的R3C3之积 正弦波振荡电路的R1C1之积！否则，可能影响三角波形的正常输出！,用运放构成以RC振荡器为基础的函数信号发生器: 信号频率: fo =1/2C(R1*RP2)0.5， 三角波电压：uo=uiwT/(4RC),正弦波/方波/三角波变换电路 采用RC振荡器产生正弦波, 频率:fo =1/2C(R1RP1)0.5 通过比较器变换同频率方波， 再通过积分器变换同频率三角波。,RC振荡函数信号发生器,振荡器正弦波,R 调频率,RP2调反馈 起振限幅,频率:150-

7、1500hz,比较器: 正弦波/方波,积分器: 方波/三角波,uo3=uiwT/(4RC3),调占空比,方案三,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路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图所示。,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。,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成半波和全

8、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波形的正弦函数转换电路。,正弦函数转换电路,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：,滤波法的转换原理是，把峰值为Vm的三角波用傅里叶级数展开：,滤波法 运算法 折线法,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。但若三角波的频率变化范围较大（如本实验的频率变化范围是1000倍），要设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，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场合。,运算法的转换原理是

9、，把展开成幂级数形式：,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），可以通过对线性（三角波）变化量x的运算来近似表示成 sinx，但要求三角波的幅度/2。运算转换法由于运算复杂，用电子电路较难实现。,折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是，根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逐段校正，输出近似的正弦电压波形。由于电子器件（如半导体二极管等）特性的非线性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。,用

10、折线法实现正弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。无源正弦函数转换电路，是指仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。有源正弦函数转换电路，转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。无论是无源还是有源转换电路，其转换原理都是雷同的。根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换网络的系数，输出近似的正弦电压波形。,有源正弦函数转换电路的转换原理如图所示。,若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即,由此可推出各断点上应校正到的电平值：,不同区段内的比例系数：,在0T/14区段内,在T/14T/7区段内,在T/73T/14区段内,在3T/14T/4区段内,正弦函数转换方案

11、1,基本结构是比例放大器。只是使运放在不同的时间区段（或输出电平区段）内，具有不同的比例系数。对不同区段内比例系数的切换，是通过二极管网络来实现的。,在0T/14区段内,要求D1D6均不导通。,即书上的式子：,若取Ri =10 k，则Rf= 9.7 k(可选10 k)。,要求D1导通，D2 D6均截止。此时，,在T/14T/7区段内,由此可计算出Ra1=35.5 k（可选35 k）。,为了控制D1的动作电平，要求1点上的电平满足下列关系：,或,设计时，为避免Rb1对放大器比例关系的影响，要求Rb1Ra1，所以，上式又可简化为：,取VD=0.6V，则,（选670 k）。,对于其它区段内各电阻参数

12、的计算，同理可以进行计算和选取。,Ra2=9.13 k(选9.1 k), Rb2=72.22 k(选75 k); Ra3=1.88 k(选1.8 k), Rb3=10.97 k(选10 k).,二极管网络：逐段校正。 运放：电压跟随器，作为隔离，称为缓冲级。 三极管：电压跟随器，提供参考电平。,正弦函数转换方案2,在输入信号的正半周内，应由D1D3实现逐段校正；在输入信号的负半周内，应由D4D6实现逐段校正。,设硅二极管的开启电压为0.5V，所以各二极管的动作电平V1 V3应设置为：,在0T/14区段内,D1D6均不导通，所以vo=vi。,在T/14T/7区段内,仅有D1导通，D2 D6均截止

13、。此时，,即书上的式子：,若选R4=2.2 k，则R5= 7.8 k。,在T/73T/14区段内,D1、D2均导通，所以有,即,代入已知数据后得R6=2.01 k，取 R6=2 k。,D1 D3 均导通，输出电压被二极管D3嵌位，所以vO = V3 + 0.5 V = 3.1V。（对这一段的校正与方案1不同）。,在3T/144T/14区段内,图中的V1 V3 ，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R5 和R6 。,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 %)。,这里介绍的两种有源正弦函数转换网络，基本设计思想