第四讲 函数发生器设计一 、方波 - 三角波函数发生器设计
函数发生器能自动产生 方波 - 三角波 -正弦波。其电路组成框图如图 3.4.1 所示 .
比较器 积分器 差分放大器
图 4.1 函数发生器组成框图
1、方波 - 三角波产生电路
电路图如图 4.2所示:
比较器
积分器
C1称为加速电容 ,可加速比较器的翻转 R1称为平衡电阻 运放的反相端接基准电压,即 V–
=0;
同相端接输入电压 via;
比较器的输出 vo1的高电平等于正电 源电压 +VCC ,低电平等于负电
–源电压 VEE (+VCC=–VEE) 。
当输入端 V+ =V- =0 时,比较器翻转, V01从 +Vcc跳到 -Vee,或从 -Vee跳到+ Vcc。
运放 A1与 R1、 R2 、 R3、 RP1组成电压比较器。
Via = 0
若 Vo1 = -Vee, 则 比较器的上门限电位为
Via+ = -R2
R3+RP1(-Vee) =
R2
R3+RP1(Vcc)
设 V01= +Vcc, 则
R2 +R3 +RP1
(+Vcc)
R2 +
R3+RP1 R2+R3+RP1
整理上式 , 得比较器的下门限电位为
-R2
R3+RP1
(+Vcc) = R3+RP1
-R2 (Vcc)Via - =
V+ =
RP1指电位器的调整值 (以下同 )
比较器的门限宽度 VH为
VH = Via + Via - = 2 R2
R3+RP1
Vcc
由上面公式可得比较器的电压
传输特性,如图 4.3 所示。vo1
Via– Via+
+VCC
-VEE
via
o
图 4.3 比较器电压传输特性
从电压传输特性可见,当输
入电压 Via从上门限电位 Via+
下降到下门限电位 Via -时,
输出电压 Vo1由高电平 +Vcc
突变到低电平 -Vee。
• 比较器的传输特性
Vo2 =
- (+Vcc)
(R4+RP2)C2 t =
-Vcc
(R4+RP2)C2
t
当 Vo1= -Vee时, Vo2 =
-(-Vee)
(R4+RP2)C2
t = Vcc
(R4+RP2)C2
t
a点断开后,运算放大器 A2与 R4、
RP2、 R5 、 C2 组成反相积分器,
其输入信号为方波 Vo1时,则积分
器的输出
Vo2 = - 1
(R4+RP2)C2
当 Vo1=+Vcc时,
Vo1dt
+VCC
VCCR2
R3+RP1
VEE–R2
R3+RP1
o
-VEE
t
T
T2
T4
vo vo1
vo2
a点闭合,形成闭环 电路 ,则自动产生方 波 -三角波,其波
形如图 4.4 所示。
图 4.4 —方波 三角波
• 方 波 -三角波的工作过程:
当比较器的门限 电 压为 Via+ 时
输出 Vo1为高电平( +Vcc)。这时积分器开始反向积分,三角波
Vo2 线性下降。
当 Vo2下降到比较器的下门限 电 位 Via - 时,比较器翻转,输出Vo1由高电平跳到低电平。这时积分器又开始正向积分, Vo2线性增加。
如此反复,就可自动产生方 波 -三角波。
三角波的幅度为:
Vo2m =
+VCC
VCCR2
R3+RP1
VEE–R2
R3+RP1
o
-VEE
t
T
T2
T4
vo vo1
vo2
方波的幅度 略小于 +Vcc 和 -Vee。
• 方 波 -三角波的幅度和频率
-1
(R4+RP1)C2
T
4
0Vo1 dt
=
-1
(R4+RP1)C2
T
4实际上,三角波的幅度 也就是比较器的 门限电压 Via+
·
Vo2m = Via+ =
R2
R3+RP1
· Vcc =
-Vcc
(R4+RP1)C2
·
T
4
Vo2m = Vcc
方 波 -三角波 的波频率为:
ƒ = R3+RP1
4R2 (R4+RP2) C2
R2
R3+RP1
将上面两式整理可得三角波 的周期 T , 而 F = 1 / T
三角波 的幅度为:
由此可见:1、方波的幅度由 +Vcc 和 – Vee决定;
2、调节电位器 RP1,可调节三角波 的幅度,但会影响其频率;
3、调节电位器 RP2,可调节方 波 -三角波 的频率,但不会影
响 其幅度,可用 RP2实现频率微调,而用 C2改变频率
范围。
·
二、单片集成电路函数发生器 ICL8038
ICL8038的工作频率范围在几赫兹至几百千赫兹之间,它可以同时输出方波 (或脉冲波 )、三角波、正弦波。其内部组成如图 3.4.7所示。
FM-B
ADJF1
FM-IN
ADJF2
7
4
8
5
S
2IB
IA
33k8.2k
A1
A2
比较器
VCC23
VCC13
FFQ
Q
R
S
Ct
正弦波变换
缓冲器
缓冲器
10
6
3
1
2
12
9SQ
ADJS2
SIN
ADJS1
TR1
V +
V-/GND11
两个比较器 A1、 A2的基准电压 2VCC/3 、 VCC/3由内部电阻分压网络提供。
触发器 FF的输出端 Q控制外接定时电容的充、放
电。
充、放电流 IA、 IB的大小由外接电阻决定,当 IA= IB
时,输出三角波,否则为锯齿波。 I
—产生三角波 方波的工作原理与图 4.2所示电路的工作原理基本相同。 ICL8038可以采用单电源 (+10V~+30V)供电,也可以采用双电源 (±5V~±15V)供电。
由 ICL8038组成的音频函数发生器如图 4.8所示。电阻 R1与电位器 RP1用来确定⑧脚的直流电位 V8,通常取 V8≥2/3VCC。 V8
越高, IA、 IB越小,输出频率越低,反之亦然。因此, ICL8038又称为压控振荡器 (VCO)或频率调制器( FM)。 RP1可调节的频率范围为 20Hz~20kHz。
C10.1F
RP2
1k
RARB
4.7k 4.7k5 4 6
RL
15k
+5V+VCC
9
3
28
ADJF2ADJF1 V +SQ
TR1
SINV–/GND
FM-IN
Ct
Ct4700pF
10 11 12 RP3
100k20Hz~20kHz
–5V
RP110k
R1
20k
8038
–VEE
ADJS2
图 4.8 ICL8038组成的音频函数发生器
三、函数发生器的性能指标
• 输出波形 正弦波、方 波、三角波
• 频率范围 1Hz~10Hz , 10Hz~100Hz , 100~1KHz ,
1KHz~10KHz , 10KHz~100KHz , 100KHz~1MHz.
• 输出电压 一般指输出波形的峰 -峰值,即 Vp-p = 2Vm.
• 波形 特性 表征正弦波特性的参数是非线性失真 ~,一般要求 ~< 3%;表征三角波特性的参数是非线性系数△,
一般要求△< 2%;表征方波特性的参数是 上升时间
tr,一般要求 tr< 100ns(1kHz,最大输出时 )。
四、设计举例
( 1) 确定电路形式及元器件型号
例 设计一方 波 -三角波 -正弦波函数发生函数发生
器。器。• 性能指示要求 频 率范围 频 率范围 1Hz~10Hz, 10Hz~100Hz;1Hz~10Hz, 10Hz~100Hz;
输出电压输出电压 方波 方波 VVp-pp-p≤≤24V24V,三角波,三角波 VVp-p-
pp=8V=8V,, 正弦波正弦波 VVp-pp-p >>1V1V。。
采用如图 3.4.9所示电路,其中运算放大器 A1与 A2用一只双运放
A747,差分放大器采用本章第三节设计完成的晶体管单端输—入 单端输出差分放大器电路。因为方波的幅度接近电源电压,所以取电源电压 +VCC= +12V –, VEE= –12V。
波形特性波形特性 方波方波 ttrr<< 11s(1kHzs(1kHz,最大输出,最大输出时时 ))
三角波三角波△<< 2%2%,正弦波,正弦波 ~~<< 5%5%
• 三角波 -方 波 -正弦波函数发生器实验电路
vo1
+12V
1312
4
R3
20k
–12V
47k
10kR2
2
R1
10k 1
RP2
R45.1k
100k
7
6
R5
10k
A1A2
9
4
C1
10F+
+S C2
1F
+12V
vo2
10+
C3
470F
RP347k
+
C4
470F
RB1
6.8k
T1
RC1
10k
+12V
RC2
10kC6*0.1F
C5+
470F
vo3
RB2
T2
6.8k
100RP4
RE2
100
RE3
2k
T3 T4
RE4
2k
R8k
BG319
–12V
A74712
A74712
–12V
RP1
A1 A2
*
-
+
–
+
图 4.9 — —三角波 方波 正弦波函数发生器实验电路
此处引脚标号为 uA747芯片的,而实验中用741芯片,引脚号不同,插板时一定要注
意。
( 2)计算元件参数比较器 A1与积分器 A2的元件参数计算如下:
由式 (4-8)得
当 1Hz≤f≤10Hz 时 , 取C2=10F, R4=5.1k, RP2=100k ;
当 10Hz≤f≤100Hz时,取 C2=1F,以实现频率波段的转
换 ; R4及 RP2的取值不变。取平衡电阻 R5=10k。
R
VccR3+RP1
=Vo2m
=
412
=
1 3
取 R2=10k , 取 R3=20k, RP1=47k, 平 衡 电 阻 R1= R2//(R3+RP1)10k
由输出频率的表达式 (3-4-9)得R4 + RP2 =
R3 + RP1
4 R2 C2 ƒ
三角波正弦波电路的参数选择原则是:隔直电容 C3、 C4、 C5要取得较大,因为输出频率很低,取 C3= C4= C5=470f,滤波电容 C6的取值视输出的波形而定,若含高次谐波成分较多,则C6一般为几十皮法至 0.1F。 RE2=100与RP4=100相并联,以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性 曲线、调整 RP4及电阻 R*来确定。
五、电路安装与调试技术
1、方 波 -三角波发生器的装调
由于比较器 A1与积分器 A2组成正反馈闭环电路,同时输出方波与
三角波,故这两个单元电路需同时安装。要注意的是,在安装电
位器 RP1与 RP2之前,先将其调整到设计值,否则电路可能会不起
振。如果电路接线正确,则在接通电源后, A1的输出 vo1为方波
, A2的输出 vo2为三角波,在低频点时,微调 RP1,使三角波的输
出幅度满足设计指标要求,再调节 RP2,则输出频率连续可变。
3、误差分析① 方波输出电压 Vp-p≤2VCC,是因为运放输出级由 NPN型或
PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路,输出方波时,两
管轮流截止与饱和导通,由于导通时输出电阻的影响,使方波
输出幅度小于电源电压值。
② 方波的上升时间 tr,主要受运放转换速率的限制。如果输出
频率较高,则可接入加速电容 C1(C1一般为几十皮法 )。可用示
波器 (或脉冲示波器 )测量 tr。
六、设计任务 :P92
—设计课题:方波 三角波函数发生器设计—设计课题:方波 三角波函数发生器设计
已知条件已知条件 双运放双运放 A747A747一只(或一只(或 A741A741两只)两只)
性 能 指 标 要 求性 能 指 标 要 求 频 率 范 围频 率 范 围 100Hz~1kHz100Hz~1kHz,, 1kHz~10kHz1kHz~10kHz;;
输出电压输出电压 方波方波 VVp-pp-p≤≤24V24V,三角波,三角波 VVp-p-
pp=6V=6V,,
波形特性波形特性 方波方波 ttrr<< 3030s(1kHzs(1kHz,最大输出时,最大输出时 )),,
三角波三角波△△<< 2%2%。。
设计步骤与要求设计步骤与要求 参考本章第一节。参考本章第一节。
实验仪器设备实验仪器设备 同本章第一节。同本章第一节。