第四讲 函数发生器设计 一 、方波 - 三角波函数发生器设计

1. 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. 图4.1 函数发生器组成框图

2. 1、方波- 三角波产生电路 电路图如图4.2所示： 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。 积分器 比较器 运放A1与R1、R2、R3、RP1组成电压比较器。

3. 设V01= +Vcc, 则 (+Vcc) R2 R3+RP1 V+ = + Via = 0 R2 +R3 +RP1 R2+R3+RP1 整理上式, 得比较器的下门限电位为 -R2 -R2 (Vcc) Via－= (+Vcc) = R3+RP1 R3+RP1 若Vo1 = -Vee, 则 比较器的上门限电位为 -R2 R2 Via+ = (-Vee) = (Vcc) R3+RP1 R3+RP1 RP1指电位器的调整值(以下同)

4. •比较器的传输特性 比较器的门限宽度VH为 R2 VH = Via Via－= 2 Vcc + R3+RP1 由上面公式可得比较器的电压 传输特性，如图4.3 所示。 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。 图4.3 比较器电压传输特性

5. 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 - 1 (R4+RP2)C2 Vo1dt Vo2 = Vo2 = 当Vo1=+Vcc时， - (+Vcc) (R4+RP2)C2 -Vcc (R4+RP2)C2 t = t 当Vo1= -Vee时， -(-Vee) (R4+RP2)C2 Vcc (R4+RP2)C2 Vo2 = t = t

6. a点闭合，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波，其波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。 • 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。 图4.4 方波—三角波

7. • 方波-三角波的幅度和频率 方波的幅度略小于 +Vcc 和-Vee。 三角波的幅度为： T 4 = -1 (R4+RP1)C2 T 4  -1 (R4+RP1)C2 Vo2m = Vo1 dt · 0 实际上，三角波的幅度也就是比较器的门限电压Via+  T 4 R2 R3+RP1 -Vcc (R4+RP1)C2 Vo2m = Via+ = · Vcc = ·

8. 将上面两式整理可得三角波的周期T ，而F = 1 / T R2 R3+RP1  三角波的幅度为： Vo2m = · Vcc R3+RP1 4R2 (R4+RP2) C2 方波-三角波的波频率为： ƒ = 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。

9. 二、单片集成电路函数发生器ICL8038 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 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。 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。 触发器FF的输出端Q控制外接定时电容的充、放电。 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。

10. 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。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。 图4.8 ICL8038组成的音频函数发生器

11. 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)。

12. 四、设计举例 例设计一方波-三角波-正弦波函数发生器。 •性能指示要求频 率范围1Hz~10Hz, 10Hz~100Hz; 输出电压 方波Vp-p≤24V，三角波Vp-p=8V， （1）确定电路形式及元器件型号 正弦波Vp-p＞1V。 波形特性方波tr＜1s(1kHz，最大输出时) 三角波△＜2%，正弦波~＜5% 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。

13. •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。 图4.9 三角波—方波—正弦波函数发生器实验电路

14. （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 = = R Vo2m 4 1 = 12 3 R3+RP1 Vcc 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 R3 + RP1 4 R2 C2ƒ R4 + RP2 = 当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10F，R4=5.1k，RP2=100k； 当10Hz≤f≤100Hz时，取C2=1F，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。

15. 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=470f，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0.1F。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。

16. 五、电路安装与调试技术1、方波-三角波发生器的装调五、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。

17. 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。

18. 六、设计任务:P92 设计课题：方波—三角波函数发生器设计 已知条件双运放A747一只（或mA741两只） 性能指标要求频率范围100Hz~1kHz，1kHz~10kHz； 输出电压方波Vp-p≤24V，三角波Vp-p=6V， 波形特性方波tr＜30s(1kHz，最大输出时)， 三角波△＜2%。 设计步骤与要求参考本章第一节。 实验仪器设备同本章第一节。