函数发生器设计
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函数发⽣器设计
多功能信号发⽣器设计
⼀、设计任务
设计⼀个多功能信号发⽣器，要有如下：1、输出信号波形的形式：正弦波、三⾓波、⽅波、单次脉冲。
2、输出信号的频率：20Hz~2kHz，连续可调。
3、输出信号的幅度：1V P-P~10V P-P，连续可调；单次脉冲：低电平≤0.4V，⾼电平
3.5~5V。
4、输出信号直流电平调节范围：-5V~+5V。
5、输出信号波形精度：正弦波失真度≤2%；三⾓波的线性度≤1%；⽅波信号的上
（下）升沿时间≤2µS。
⼆、设计⽅案分析
信号发⽣器在科学实验、电⼦测量、⾃动控制、设备检测、⽆线通讯等领域有着⼴泛的应⽤。信号发⽣器的基本功能是可以提供符合⼀定技术指标要求的电信号，其波形、频率、幅值均可以调节。实现信号发⽣器电路的⽅案很多，其特点也不同，主要有模拟电路实现⽅案、数字电路实现⽅案和模数混合实现的⽅案。1、采⽤单⽚机控制技术实现的信号发⽣器
该⽅案的主要思路是采⽤编程的⽅法来产⽣希望得到的波形，⽤户将要输出的波形预先存储在半导体存储器中，在需要某种波形时将储存在存储器中的数据依次读出来，经过数模转换、滤波等处理后，输出该波形的信号。该⽅案优点是输出信号的频率稳定，抗⼲扰能⼒强，实现任意波形的信号容易，可通过外置按键或键盘来设定所需要产⽣信号源的类型和频率，还可以通过显⽰器显⽰出波形的相关信息。不⾜之处是由于单⽚机的处理数据的速度有限，当产⽣频率⽐较⾼的信号时，输出波形的质量将下降。2、利⽤直接数字频率合成（DDS）集成芯⽚实现的信号发⽣器
随着⼤规模集成电路制作技术的发展，采⽤直接数字频率合成技术实现的信号产⽣集成芯⽚应⽤越来越⼴泛。DDS集成芯⽚内部主要由相位累加器、波形存储器、⾼速D/A转换器等环节组成，在时钟脉冲的控制下，相位累加器对输⼊的频率控制字不断进⾏累加得到相应的相位码，同时相位码序列作为地址信号去寻址波形存储器进⾏相位码到幅度码的转换，并输出不同的幅度编码。这⼀系列不同的幅度编码经过D/A转换器得到相应的阶梯电压信号，最后经过低通滤波器平滑，即可输出相应的信号。⼀般集成DDS芯⽚内部时钟脉冲的频率固定，其相位累加器位数也不变，所以只需改变频率控制字即可实现输出信号频率的变化。利⽤DDS集成电路设计的信号发⽣器具有输出频率⾼，频率稳定度⾼，输出频率分辨率⾼，易于实现全数字控制等优点，是⽬前设计⾼精度、⾼性能信号发⽣器的⾸选⽅案。⽬前典型的DDS集成芯⽚有AD9850、AD9851、AD9852和AD9834等。
3、利⽤专⽤函数发⽣器集成电路实现的信号发⽣器
利⽤集成函数发⽣器专⽤芯⽚可以⽅便的实现多种波形的输出，⽽且外围电路简单，调试容易。例如早期的函数发⽣器集成芯⽚有ICL8038、BA205、XR2206/2207/2209等，这些芯⽚的不⾜时输出信号的频率不⾼，最⼤仅有⼏百kHz，调节⽅式不灵活，频率和脉冲信号的占空⽐不能独⽴调节。MAX038是美国MAXIM公司推出的新⼀代单⽚函数信号发⽣器，MAX038内部含有精密带隙电压参考、鉴相器和TTL同步输出，可以采⽤较少的外部元件构成⼀台⾼频函数发⽣器，也可单独⽤作电压控制振荡器、频率调制器、脉宽调制器、锁相环、频率合成器和FSK信号发⽣器，它的主要特点有：0.1Hz~20MHz的输出频率调节范围，350：1的扫频范围，10%~90%的占空⽐调节范围，可以输出正弦波、⽅波、矩
形波、三⾓波、锯齿波等波形，且频率和占空⽐调节互不影响，是⽬前较为理想的函数发⽣器集成芯⽚。4、采⽤分⽴器件组成的信号发⽣器
过去传统的信号发⽣⼀般采⽤这种⽅式，该⽅案⼀般采⽤集成运算放⼤器外加电阻、电容等元件，构成⽅波、三⾓波发⽣器，然后将三⾓波信号或⽅波信号转换成正弦波信号输出；也可以直接采⽤RC 正弦波信号发⽣器产⽣正弦波信号。该⽅案的缺点是输出信号频率较低，输出的波形质量差，输出频率调节范围⼩，电路复杂且体积⼤，但由于本设计的信号发⽣器要求输出信号的频率不⾼，再加上电⼦技术课程教学内容的限制，所以本设计可采⽤由集成运算放⼤器组成的信号发⽣器，该电路的组成框图如图 所⽰。
图1 多功能信号发⽣器组成框图
三、 主要单元电路参考设计 1、 压控⽅波—三⾓波产⽣电路
图2 压控三⾓波—⽅波发⽣器电路及输出波形图
输出信号频率可以通过调节电阻或电容来实现，也可以通过改变输⼊电压的⼤⼩来
完成，图 就是由集成运算放⼤器组成的压控⽅波—三⾓波信号发⽣器。该电路主要有A 1组成的积分器和A 2构成的施密特触发器组成，电路的⼯作原理为：在给定电路参数下，集成运算放⼤器A 1的同相端电位等于U i /2，假设由A 2构成的施密特触发器的输出u 02为 –V Z ，此时A 2的同相输⼊端电位为下门坎电压值Z T V R R R V ?+-=-2
11
，
三极管T 截⽌，给电容C 充电的电流为RU i i
2=
，A 1的输出u 01线性下降。当u 01等于施密特触发器的下门坎电压V T-
时，触发器翻转，u 02输出⽴即变为+V Z ，A 2的同相输⼊端电位⽴即变为上门坎电压值Z T V R R R V ?+=
+2
11
，同时三极管饱和导通，假设三极管的饱和压降为零，则流过三极管的电流等于2i ，所以流过电容C 的电流为 –i ，电容放电，A 1的输出电压u 01线性增⼤。当u 01增⼤到等于施密特触发器的上门坎电压V T+时，u 02输出⽴即变为 -V Z ，A 2的同相输⼊端电位再次变为下门坎电压，三极管截⽌，积分器电容再次被充电，这样周⽽复始，在u 01输出端可以可到标准的三⾓波，在u 02处可以得到正负对称、占空⽐等于50%的⽅波。输出波形图见图。输出信号的频率计算如下：设电容的初始值为V T-，则在T 1内u 01输出电压表达式为：t RCU V idt C V u i T T ?+=+
=--?21
01，当t=T 1时，u 01=V T+，所以 12T RC
U V V i
T T ?+
=-+ ，⼜因为21T T =，-+-=T T V V ，所以输出信号的频率： i Z
I T U CV RR R R U RCV T f ?+=?==
+1211881
21，可见输出频率与输⼊电压成正⽐。 参数选定：集成运算放⼤器选择⾼输⼊阻抗、宽带、⾼精度的运算放⼤器LF353。双向限幅稳压管选择5V/1W 的稳压⼆极管。电阻R 1=R 2=10kΩ。选择积分电容C=1000pF 的漏电⼩、稳定性好的电容。电阻R=100kΩ。所为当要求输⼊电压在0~5V 变化时，输出信号的频率为0~2.5kHz 。完全满⾜设计要求。电位器R P1是⽤于调整输出⽅波的占空⽐，调节R P1使输出⽅波的占空⽐为50%。为了使输出三⾓波的峰—峰值等于10V ，经运算放⼤器A 3放⼤后完成。实际电路如图 ，集成运算放⼤器的供电电源为±12V ，注意加⼊滤波电容。
三⾓波
⽅波
图3 三⾓波—⽅波信号产⽣电路2、 三⾓波/正弦波转换电路
实现正弦波信号发⽣器的电路很多，可以通过RC 或LC 正弦波信号振荡器直接产⽣， 也可以将⽅波或三⾓波信号转换成正弦波，下⾯介绍利⽤三⾓波转换成正弦波信号的⼯作原理。图4所⽰电路是⼀个可变⽐例衰减器，随着输⼊三⾓波绝对值的增⼤，电阻r 按着⼀定的规律减⼩，反之r 则增⼤。如果这个变化规律符合三⾓波和正弦波的幅值间的⽐例，则在电阻r 上得到的是正弦波输出。
Uo
t
图4 三⾓波转换正弦波的基本原理图
⽤于三⾓波—正弦波转换的实际电路如，它是采⽤分段折线的⽅法实现转换的。假设输⼊信号u i为正半周，当输⼊三⾓波电压较⼩时，D1~D6全部截⽌，此时输出/输⼊的特性曲线OA段的斜率为：)
//(
)
//(
)
(
6
5
4
3
2
1
R
R
R
R
R
R
R
du
du
K f
i
OA+
+
+
-=
=
适当的选择电阻R1~R6的阻值，可以使D1、D2、D3分别导通时对应不同的输⼊电压。设⼆
极管为理想元件，则当输⼊电压u i增⼤到REF
V
R
R
R
+
2
2
1时，⼆极管D
1
导通，要求D2、D3截⽌，则L点的电位被嵌位到V REF，此时特性曲线AB段的斜率为：)
//(
)
(
6
5
4
3
R
R
R
R
R
du
du
K f
i
AB+
+-
=
=
当输⼊信号u i进⼀步增⼤到REF
V
R
R
R
+
4
4
3时，⼆极管D
1
、D2导通，要求D3截⽌，则L、M点的电位均被嵌位在V REF，此时特性曲线BC段的斜率为：
6
5
R
R
R
du
du
K f
i
BC+
-
=
=。
当输⼊信号u i增到REF
V
R
RR
+
6
6
5时，⼆极管D
1
、D2、D3全导通，则L、M、N点的电位全被嵌位在V REF，此时特性曲线的斜率为：00=
=
i
CD du
du
K。同理，当输⼊信号u i为负半
周时，D4、D5、D6依次导通，输出特性曲线的与u i正半周时对称。可见，如果分段越多，三⾓波转换正弦波的精度也越⾼，但是采⽤的⼆极管、电阻也越多，电路复杂。
图5 分段折线三⾓波转换正弦波电路图
设输⼊三⾓波的幅值是5V ，基准电压V REF 选择等于1V 。在u i 正半周时，选择3个转折点，要求在30°时D 1开始导通；在60°时D 2开始导通；在80°时D 3开始导通，对应的三波的输⼊电压分别为 1.67V 、3.33V 、4.44V 。所以
6.0212≈+R R R ，3.04
34
≈+R R R ，
23.06
56
≈+R R R 。在假定其中的⼀个电阻参数下，可以确定另外⼀个电阻的⼤⼩。为了抵
