波形發生器課程設計報告

⑴ 急求波形發生器課程設計

DDS->DA->運放 調頻率調DDS，調幅值調運放放大比例，運放使用軌對軌，正負兩項供電。

⑵ 正弦波信號發生器的課程設計報告

居益禹

⑶ 函數波形發生器課程設計

函數波形發生器設計
摘 要
函數信號發生器是一種能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數波形發生器的原理以及構成分析，可設計一個能變換出三角波、正弦波、方波的函數波形發生器。
本課題採用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數發生器的設計方法，先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最後通過差分放大器形成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。
經過模擬得出了方波、三角波、正弦波、方波——三角波轉換及三角波——正弦波轉換的波形圖。
關鍵字：函數信號發生器、集成運算放大器、晶體管差分放
設計目的、意義
1 設計目的
（1）掌握方波—三角波——正弦波函數發生器的原理及設計方法。
（2）掌握遲滯型比較器的特性參數的計算。
（3）了解單片集成函數發生器8038的工作原理及應用。
（4）能夠使用電路模擬軟體進行電路調試。
2 設計意義
函數發生器作為一種常用的信號源,是現代測試領域內應用最為廣泛的通用儀器之一。
在研製、生產、測試和維修各種電子元件、部件以及整機設備時，都學要有信號源，由它產生不同頻率不同波形的電壓、電流信號並加到被測器件或設備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應，以分析確定它們的性能參數。信號發生器是電子測量領域中最基本、應用最廣泛的一類電子儀器。它可以產生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用於通信、雷達、導航、宇航等領域。
設計內容
1 課程設計的內容與要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：
1.1課程設計的內容
（1）該發生器能自動產生正弦波、三角波、方波。
（2）函數發生器以集成運放和晶體管為核心進行設計
（3）指標：
輸出波形：正弦波、三角波、方波
頻率范圍：1Hz~10Hz，10Hz~100Hz
輸出電壓：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P＞1V；
（4）對單片集成函數發生器8038應用接線進行設計。
1.2課程設計的要求
（1）提出具體方案
（2）給出所設計電路的原理圖。
（3）進行電路模擬，PCB設計。
2 函數波形發生器原理
2.1函數波形發生器原理框圖

圖2.1 函數發生器組成框圖
2.2函數波形發生器的總方案
函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數發生器S101全部採用晶體管)，也可以採用集成電路(如單片函數發生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題採用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數發生器的設計方法。
產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，然後通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產生三角波—方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題採用先產生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法[3]。
由比較器和積分器組成方波—三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。
2.3函數波形發生器各組成部分的工作原理
2.3.1方波發生電路的工作原理
此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC迴路既作為延遲環節，又作為反饋網路，通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+Ut。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖2.3中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨於無窮時，Un趨於+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變為-Uz,與此同時Up從+Ut躍變為-Ut。隨後，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨於無窮大時，Un趨於-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變為+Uz，Up從-Ut躍變為+Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振盪[4]。
2.3.2方波——三角波轉換電路的工作原理
圖2.2方波—三角波產生電路
工作原理如下：
若a點斷開，整個電路呈開環狀態。運算發大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等於正電源電壓+Vcc，低電平等於負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+ Vcc,則
(2.1)
將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia_為
(2.2)
若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為
(2.3)
比較器的門限寬度：
(2.4)
由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖2.3所示。
a點斷開後，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為：
(2.5)
時，
(2.6)
時，
(2.7)
可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系如圖2.4所示。
a點閉合，即比較器與積分器形成閉環電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為：
(2.8)
方波-三角波的頻率f為：
(2.9)
由以上兩式(2.8)及(2.9)可以得到以下結論：
(1) 電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現頻率微調。
(2) 方波的輸出幅度應等於電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。
電位器RP1可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率[3]。

圖2.3比較器的電壓傳輸特性

圖2.4方波與三角波波形關系

2.3.3三角波---正弦波轉換電路的工作原理
如圖2.5三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。
差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性[1]。

圖2.5 三角波——正弦波的變換電路
分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：
(2.10)
(2.11)
式中
——差分放大器的恆定電流；
——溫度的電壓當量，當室溫為25oc時， ≈26mV。
如果Uid為三角波，設表達式為
(2.12)
式中 Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期。
為使輸出波形更接近正弦波，由圖2.6可見：
（1）傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好。
（2）三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。
（3）圖2.7為實現三角波——正弦波變換的電路。其中RP1調節三角波的幅度，RP2調整電路的對稱性，其並聯電阻RE2用來減小差分放大器的線性區。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形[2]。

圖2.6三角波—正弦波變換原理
圖2.7三角波—正弦波變換電路

2.4電路的參數選擇及計算
2.4.1方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）
實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，後來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現。
2.4.2三角波—正弦波部分的計算
比較器A1與積分器A2的元件計算如下：
由式（2.8）得
即
取 ，則 ，取 ，RP1為47KΩ的點位器。取平衡電阻
由式（2.9）
即
當 時，取 ，則 ，取 ，為100KΩ電位器。當 時 ，取 以實現頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻 。
三角波—正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取 ，濾波電容 視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多， 可取得較小， 一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相並聯，以減小差分放大器的線性區。差分放大器的靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻R*確定。
2.5 總電路圖
先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最後通過差分放大器形成正弦波。如圖2.5.1所示，

圖2.5.1三角波-方波-正弦波函數發生器實驗電路

2.6 8038單片集成函數發生器
2.6.1 8038的工作原理
8038由恆流源I1、I2，電壓比較器C1、C2和觸發器①等組成。其內部原理電路框圖和外部引腳排列分別如圖2.8和圖2.9所示。

圖2.8 8038原理框圖

圖2.9 8038管腳圖（頂視圖）
1. 正弦波線性調節；2. 正弦波輸出；3. 三角波輸出；4. 恆流源調節；5. 恆流源調節；6. 正電源；7. 調頻偏置電壓；8. 調頻控制輸入端；9. 方波輸出（集電極開路輸出）； 10. 外接電容；11. 負電源或接地；12.正弦波線性調節；13、14. 空腳
在圖2.8中，電壓比較器C1、C2的門限電壓分別為2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調節，且I2必須大於I1。當觸發器的Q端輸出為低電平時，它控制開關S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電，使電容兩端電壓vC隨時間線性上升，當vC上升到vC=2VR/3 時，比較器C1輸出發生跳變，使觸發器輸出Q端由低電平變為高電平，控制開關S使電流源I2接通。由於I2>I1 ，因此電容C放電，vC隨時間線性下降。當vC下降到vC≤VR/3 時，比較器C2輸出發生跳變，使觸發器輸出端Q又由高電平變為低電平，I2再次斷開，I1再次向C充電，vC又隨時間線性上升。如此周而復始，產生振盪。若I2=2I1 ，vC上升時間與下降時間相等，就產生三角波輸出到腳3。而觸發器輸出的方波，經緩沖器輸出到腳9。三角波經正弦波變換器變成正弦波後由腳2輸出。當I1<I2<2I1 時，vC的上升時間與下降時間不相等，管腳3輸出鋸齒波。因此，8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波等四種不同的波形。
圖2.8中的觸發器，當R端為高電平、S端為低電平時，Q端輸出低電平；反之，則Q端為高電平。
2.6.2 8038構成函數波形發生器
由圖2.9可見，管腳8為調頻電壓控制輸入端，管腳7輸出調頻偏置電壓，其值（指管腳6與7之間的電壓）是(VCC+VEE/5) ，它可作為管腳8的輸入電壓。此外，該器件的方波輸出端為集電極開路形式，一般需在正電源與9腳之間外接一電阻，其值常選用10k左右，如圖2.10所示。當電位器Rp1動端在中間位置，並且圖中管腳8與7短接時，管腳9、3和2的輸出分別為方波、三角波和正弦波。電路的振盪頻率f約為0.3/[C(R1+RP1/2)] 。調節RP1、RP2可使正弦波的失真達到較理想的程度。
在圖2.10中，當RP1動端在中間位置，斷開管腳8與7之間的連線，若在+VCC與-VEE之間接一電位器，使其動端與8腳相連，改變正電源+VCC與管腳8之間的控制電壓（即調頻電壓），則振盪頻率隨之變化，因此該電路是一個頻率可調的函數發生器。如果控制電壓按一定規律變化，則可構成掃頻式函數發生器。

圖2.10 8038接成波形產生器阿
3電路模擬
3.1電路模擬
3.1.1方波——三角波發生電路的模擬

圖3.1 方波

圖3.2 三角波

圖3.3 方波——三角波
3.1.2三角波---正弦波轉換電路的模擬

圖3.4 三角波——正弦波

參考文獻
[1]王 遠．模擬電子技術(第二版)[M]．北京：機械工業出版社，2000
[2]謝自美．電子線路設計實驗測試(第二版)[M]．武昌：華中科技大學出版社，2000
[3]路 勇．電子電路實驗及模擬[M]．清華大學出版社，2003
[4]胡宴如．模擬電子技術[M]．北京：高等教育出版社，2000
[5]周躍慶．模擬電子技術基礎教程[M]．天津大學出版社， 2001
[6]曾建唐．電工電子實踐教程[M]．北京：機械工業出版社，2002