函數發生器的設計
2013-03-04
設計一個函數發生器使得能夠產生發波、三角波、正弦波。
1、主要技術指標
頻率范圍 10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz
頻率控制方式 通過改變RC時間常數手控信號頻率
通過改變控制電壓Uc實現壓控頻率VCF
輸出電壓 正弦波Upp≈3 V 幅度連續可調;
三角波Upp≈5 V 幅度連續可調;
方波Upp≈14 V 幅度連續可調.
波形特性 方波上升時間小于2s；
三角波非線性失真小于1%；
正弦波諧波失真小于3%。
2、設計要求
（1） 根據技術指標要求及實驗室條件自選方案設計出原理電路圖，分析工作原理，計算元件參數。
（2） 列出所有元、器件清單報實驗室備件。
（3） 安裝調試所設計的電路，使之達到設計要求。
（4） 記錄實驗結果。
1.2基本原理1、函數發生器的組成
函數發生器一般是指能自動產生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運放及分離元件構成；也可以采用單片集成函數發生器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數發生器的方法。
1.3提出解決問題的方案及選取1、三角波變換成正弦波
由運算放大器單路及分立元件構成，方波——三角波——正弦波函數發生器電路組成如圖1所示，由于技術難點在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細介紹三角波到正弦波的變換。
方案二：用二極管折線近似電路以及集成運放組成的電路實現函數發生器
（3）圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當8腳與一連續可調的直流電壓相連時，輸出頻率亦連續可調。當此電壓為最小值（近似為0）時。輸出頻率最低，當電壓為最大值時，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用范圍是0—3V。由于5G8038本身的線性度僅在掃描頻率范圍10：1時為0.2%，更大范圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，所以控制電壓經μA741后再送入5G8038的8腳，這樣會有效地改善壓控線性度（優于1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時輸出頻率可由下式決定：
f=0.3/RC4
設函數發生器最高工作頻率為2kHz，定時電容C4可由上式求得。
電路中RP3是用來調整高頻端波形的對稱性，而RP2是用來調整低頻端波形的對稱性，調整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩壓管VDz是為了避免8腳上的負壓過大而使5G8038工作失常設置的。
根據KSP2222A的靜態特性曲線，選取靜態
工作區的中心
由直流通路有：
20 k
因為靜態工作點已經確定，所以靜態電流變成已知。根據KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：
可得
以上頻率并未完全到達要求的指標范圍，經分析，原因在于：
通過對比，發現頻率范圍整體下移，這里可能存在兩個原因，第一是反饋通道上的 存在磨損，使電阻值達不到計算的數值。第二是三角波運放上的反向端的電阻 也存在 一樣的問題。
（2）輸出電壓：
① 方波：
電路板上方波信號接入示波器，調節RP1,測得方波峰峰Vpp=14V，可見所得值與性能指標中的一致。
② 三角波：
撤除方波信號并接入三角波信號，調節RP1, 測得三角波峰峰值Upp=5V也能達到課題的要求。
③ 正弦波：
將正弦波信號接入示波器，調節RP3和RP4,測得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達課題要求。
3、波形特性測定:
① 方波上升時間:
將電路板上的方波信號接入示波器,,調節示波器上周期調節旋鈕,直到能清楚觀測到方波信號上升沿處的躍變,測得方波上升時間為:
tr=6.4µs
分析：上升時間達不到要求，這個可以用換運放類型來解決。通過改變運放的速度來改變其上升時間。
① 三角波非線形失真:
撤除方波信號,將電路板上三角波信號接入示波器通道1,測得此時的三角波信號參數如下:
頻率: f=98.42Hz
峰峰值: Upp=5V
此時將實驗臺上函數發生器產生的三角波作為標準信號接入示波器的通道2,并調節其頻率及峰峰值,使之與要測試的三角波信號參數一致(f=98.42Hz,Upp=5V).
在示波器上的雙蹤模式下比較,發現兩通道的三角波完全重合,說明無非線形失真.
② 正弦波嚴重失真:
分析：由于調節平衡的滑動變阻器的一只引腳壞掉了，我自己拿一根導線將其接好，所以導致電路的不對成性，使得靜態工作點偏離原定的位置，故導致此結果。
來源：示波器 http://www.qthhghg.com/
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