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設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)發(fā)生器使得能夠產(chǎn)生發(fā)波、三角波、正弦波。

1、主要技術(shù)指標(biāo)

頻率范圍 10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz

頻率控制方式通過改變RC時(shí)間常數(shù)手控信號(hào)頻率

通過改變控制電壓Uc實(shí)現(xiàn)壓控頻率VCF

輸出電壓正弦波Upp≈3 V 幅度連續(xù)可調(diào);

三角波Upp≈5 V 幅度連續(xù)可調(diào);

方波Upp≈14 V 幅度連續(xù)可調(diào).

波形特性方波上升時(shí)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(shè)計(jì)要求

（1）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求及實(shí)驗(yàn)室條件自選方案設(shè)計(jì)出原理電路圖，分析工作原理，計(jì)算元件參數(shù)。

（2）列出所有元、器件清單報(bào)實(shí)驗(yàn)室備件。

（3）安裝調(diào)試所設(shè)計(jì)的電路，使之達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（4）記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1.2基本原理

1、函數(shù)發(fā)生器的組成

函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)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(yùn)放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)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(yùn)算放大器單路及分立元件構(gòu)成，方波——三角波——正弦波函數(shù)發(fā)生器電路組成如圖1所示，由于技術(shù)難點(diǎn)在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細(xì)介紹三角波到正弦波的變換。

（1）利用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波的變換

波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖2所示。由圖可以看出，傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度Uim應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。方案一：用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器

（2）用二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波的變換

二極管折線近似電路圖3

根據(jù)二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波的變換的原理圖，可得其輸入、輸出特性曲線如入3所示。

頻率調(diào)節(jié)部分設(shè)計(jì)時(shí)，可先按三個(gè)頻率段給定三個(gè)電容值：1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再計(jì)算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對(duì)方波前后沿時(shí)間的要求，以及正弦波最高工作頻率（10kHz）的要求，在積分器、比較器、正弦波轉(zhuǎn)換器和輸出級(jí)中應(yīng)選用Sr值較大的運(yùn)放（如LF353）。為保證正弦波有較小的失真度，應(yīng)正確計(jì)算二極管網(wǎng)絡(luò)的電阻參數(shù)，并注意調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度和對(duì)稱度。輸入波形中不能含有直流成分。

方案二：用二極管折線近似電路以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器

（3）圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震蕩器，當(dāng)8腳與一連續(xù)可調(diào)的直流電壓相連時(shí)，輸出頻率亦連續(xù)可調(diào)。當(dāng)此電壓為最小值（近似為0）時(shí)。輸出頻率最低，當(dāng)電壓為最大值時(shí)，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(shí)為0.2%，更大范圍（如1000：1）時(shí)線性度隨之變壞，所以控制電壓經(jīng)μA741后再送入5G8038的8腳，這樣會(huì)有效地改善壓控線性度（優(yōu)于1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時(shí)輸出頻率可由下式?jīng)Q定：

f=0.3/RC4

設(shè)函數(shù)發(fā)生器最高工作頻率為2kHz，定時(shí)電容C4可由上式求得。

電路中RP3是用來調(diào)整高頻端波形的對(duì)稱性，而RP2是用來調(diào)整低頻端波形的對(duì)稱性，調(diào)整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩(wěn)壓管VDz是為了避免8腳上的負(fù)壓過大而使5G8038工作失常設(shè)置的。

方案三：用單片集成函數(shù)發(fā)生器5G8038

可行性分析：

上面三種方案中，方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要認(rèn)為地搭建波形變換的電路圖。而方案三采用集成芯片使得電路大大簡(jiǎn)化，但是由于實(shí)驗(yàn)室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因?yàn)樗菭奚顺杀緛頁Q取的方便。其次是對(duì)方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運(yùn)放和三極管等電器原件，方案二是用的二極管、電阻、三極管、運(yùn)放等電器原件，所以從簡(jiǎn)單而且便于購(gòu)買的前提出發(fā)我們選擇方案一為我們最終的設(shè)計(jì)方案。

1.4參數(shù)的確定

1、從電路的設(shè)計(jì)過程來看電路分為三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分

2、正弦波部分

由于我們選取差分放大電路對(duì)三角波——正弦波

進(jìn)行變換，首先要完成的工作是選定三極管，我

們現(xiàn)在選擇KSP2222A型的三極管，其靜態(tài)曲線圖

像如右圖所示。

根據(jù)KSP2222A的靜態(tài)特性曲線，選取靜態(tài)

工作區(qū)的中心

由直流通路有：

20 k

因?yàn)殪o態(tài)工作點(diǎn)已經(jīng)確定，所以靜態(tài)電流變成已知。根據(jù)KVL方程可計(jì)算出鏡像電流源中各個(gè)電阻值的大小：

可得

3、方波部分與三角波部分參數(shù)的確定

根據(jù)性能指標(biāo)可知

由 ,可見f與c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C為10 。10Hz~100Hz,C為1 。

則 =7.5k ~75k ，則 =5.1k

則 =2.4k 或者 =69.9 k

∴ 取100 k

∵

由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v，有

=

∴ =10k

則 ≈47 k ， =20 k

根據(jù)方波的上升時(shí)間為兩毫秒，查詢運(yùn)算放大器的速度，可以選擇74141型號(hào)的運(yùn)放。

由此可得調(diào)整電阻：

七、實(shí)務(wù)圖的焊接和調(diào)試

1、按照方案一的電路圖焊接好電路板。

2、調(diào)試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.

（1）頻率范圍:

為便于測(cè)量,將電路板上的方波信號(hào)接入示波器,并合上C1=10µF的開關(guān)，斷開C2=1uF的開關(guān),然后調(diào)節(jié)RP2,并測(cè)出此時(shí)方波信號(hào)頻率的變化范圍;

斷開C1的開關(guān),合上C2的開關(guān),按照同樣的方法調(diào)節(jié)RP2并記錄方波信號(hào)頻率的變化范圍,結(jié)果如下:

以上頻率并未完全到達(dá)要求的指標(biāo)范圍，經(jīng)分析，原因在于：

通過對(duì)比，發(fā)現(xiàn)頻率范圍整體下移，這里可能存在兩個(gè)原因，第一是反饋通道上的存在磨損，使電阻值達(dá)不到計(jì)算的數(shù)值。第二是三角波運(yùn)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(hào)接入示波器，調(diào)節(jié)RP1,測(cè)得方波峰峰Vpp=14V，可見所得值與性能指標(biāo)中的一致。

② 三角波：

撤除方波信號(hào)并接入三角波信號(hào)，調(diào)節(jié)RP1, 測(cè)得三角波峰峰值Upp=5V也能達(dá)到課題的要求。

③ 正弦波：

將正弦波信號(hào)接入示波器，調(diào)節(jié)RP3和RP4,測(cè)得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達(dá)課題要求。

3、波形特性測(cè)定:

① 方波上升時(shí)間:

將電路板上的方波信號(hào)接入示波器,,調(diào)節(jié)示波器上周期調(diào)節(jié)旋鈕,直到能清楚觀測(cè)到方波信號(hào)上升沿處的躍變,測(cè)得方波上升時(shí)間為:

tr=6.4µs

分析：上升時(shí)間達(dá)不到要求，這個(gè)可以用換運(yùn)放類型來解決。通過改變運(yùn)放的速度來改變其上升時(shí)間。

① 三角波非線形失真:

撤除方波信號(hào),將電路板上三角波信號(hào)接入示波器通道1,測(cè)得此時(shí)的三角波信號(hào)參數(shù)如下:

頻率: f=98.42Hz

峰峰值: Upp=5V

此時(shí)將實(shí)驗(yàn)臺(tái)上函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的三角波作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)接入示波器的通道2,并調(diào)節(jié)其頻率及峰峰值,使之與要測(cè)試的三角波信號(hào)參數(shù)一致(f=98.42Hz,Upp=5V).

在示波器上的雙蹤模式下比較,發(fā)現(xiàn)兩通道的三角波完全重合,說明無非線形失真.

② 正弦波嚴(yán)重失真:

分析：由于調(diào)節(jié)平衡的滑動(dòng)變阻器的一只引腳壞掉了，我自己拿一根導(dǎo)線將其接好，所以導(dǎo)致電路的不對(duì)成性，使得靜態(tài)工作點(diǎn)偏離原定的位置，故導(dǎo)致此結(jié)果。

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電容	頻率
10µF	1Hz～30Hz
1uF	27.47～316Hz