基本介紹
- 中文名：函式發生器
- 外文名：Function Generator
- 簡介：一種多波形的信號源
- 功能：用於生產測試、儀器維修
- 套用領域：醫學、教育、化學、通訊
主要套用,設計方法,技術指標,設計要求,方案選取,參數確定,正弦波,方波部分,焊接調試,頻率範圍,輸出電壓,
主要套用
函式發生器有很寬的頻率範圍，使用範圍很廣，它是一種不可缺少的通用信號源。可以用於生產測試、儀器維修和實驗室，還廣泛使用在其它科技領域，如醫學、教育、化學、通訊、地球物理學、工業控制、軍事和宇航等。
設計方法
設計一個函式發生器使得能夠產生方波、三角波、正弦波。
技術指標
頻率範圍 10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz
通過改變控制電壓Uc實現壓控頻率VCF
輸出電壓 正弦波Upp≈3 V 幅度連續可調;
三角波Upp≈5 V 幅度連續可調;
方波Upp≈14 V 幅度連續可調.
正弦波諧波失真小於3%。
設計要求
（1） 根據技術指標要求及實驗室條件自選方案設計出原理電路圖，分析工作原理，計算元件參數。
（2） 列出所有元、器件清單報實驗室備件。
（3） 安裝調試所設計的電路，使之達到設計要求。
（4） 記錄實驗結果。
1、函式發生器的組成
函式發生器一般是指能自動產生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以採用由運放及分離元件構成；也可以採用單片集成函式發生器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函式發生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函式發生器的方法。
方案選取
（一）方案一：三角波變換成正弦波
由運算放大器單路及分立元件構成，方波——三角波——正弦波函式發生器電路組成如圖1所示，由於技術難點在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細介紹三角波到正弦波的變換。
1。利用差分放大電路實現三角波——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，傳輸特性曲線越對稱，線性區域越窄越好;三角波的幅度Uim應正好使晶體接近飽和區域或者截至區域。方案一：用差分放大電路實現三角波到正弦波以及集成運放組成的電路實現函式發生器
2。 用二極體折線近似電路實現三角波——正弦波的變換
二極體折線近似電路 圖3
根據二極體折線近似電路實現三角波——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。
（二）方案二：用二極體折線近似電路以及集成運放組成的電路實現函式發生器
圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震盪器，當8腳與一連續可調的直流電壓相連時，輸出頻率亦連續可調。當此電壓為最小值（近似為0）時。輸出頻率最低，當電壓為最大值時，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用範圍是0—3V。由於5G8038本身的線性度僅在掃描頻率範圍10：1時為0.2%，更大範圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，所以控制電壓經μA741後再送入5G8038的8腳，這樣會有效地改善壓控線性度（優於1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時輸出頻率可由下式決定：
f=0.3/RC4
設函式發生器最高工作頻率為2kHz，定時電容C4可由上式求得。
電路中RP3是用來調整高頻端波形的對稱性，而RP2是用來調整低頻端波形的對稱性，調整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩壓管VDz是為了避免8腳上的負壓過大而使5G8038工作失常設定的。
（三）方案三：用單片集成函式發生器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人為地搭建波形變換的電路圖。而方案三採用集成晶片使得電路大大簡化，但是由於實驗室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因為它是犧牲了成本來換取的方便。其次是對方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運放和三極體等電器原件，方案二是用的二極體、電阻、三極體、運放等電器原件，所以從簡單而且便於購買的前提出發我們選擇方案一為我們最終的設計方案。
參數確定
從電路的設計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
正弦波
進行變換，首先要完成的工作是選定三極體，我
們選擇KSP2222A型的三極體，其靜態曲線圖
像如右圖所示。
根據KSP2222A的靜態特性曲線，選取靜態
工作區的中心
由直流通路有：
20 k
可得
方波部分
根據性能指標可知
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
由此可得調整電阻：
直接採用凌陽SPCE061A作為波形發生器。波形的具體產生是通過兩路DAC來產生，凌陽SPCE061A在這方面的設計為我們提供了極大的方便，用它實現的好處在於，外圍電路極其簡單，另外在DAC的編程方面又提供及其便利的編程環境。外圍電路的設計包括三大部分，第一是鍵盤控制電路的設計，這裡採用4*4鍵盤，由IOA的低八位進行控制，把鍵盤上的行和列分別接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7上，採用外部中斷二來中斷所顯示波形，以便進入下一波形的編輯和輸出，在波形輸出的同時利用外部中斷一來實現同步的頻率調節。第二是顯示電路的設計，這裡為了在波形輸出依然有顯示，由於單片機的局限性這裡採用通常的動態LED顯示行不通，因為波形輸出時要求CPU不停地為其服務而沒有空閒來為LED進行不停更新，解決方案是採用帶數據快取器和驅動的LCD來提供顯示，這樣只占用八個I/O口即可完成設計要求,也可放棄適時顯示功能採用LED顯示，這裡將提供兩種顯示方案。第三是濾波和電壓轉換電路的設計，濾波採用低通濾波器，濾除DAC轉換過程中形成的高頻小鋸齒波。另外由於凌陽SPCE061A單片機DAC輸出為電流輸出，為滿足達到5V的電壓輸出，外接OP07運算放大器進行放大，加1千歐姆電阻進行電流信號到電壓信號的轉換。本設計的特點是全面採用數字電路方案，因而工作穩定可靠。利用單片機控制管理，使頻率設定和占空比調整等操作可用鍵盤輸入，十分方便.
焊接調試
（一）按照方案一的電路圖焊接好電路板。
（二）調試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連線.
頻率範圍
斷開C1的開關,合上C2的開關,按照同樣的方法調節RP2並記錄方波信號頻率的變化範圍,結果如下:
電容 | 頻率 |
10µF | 1Hz～30Hz |
1uF | 27.47～316Hz |
以上頻率並未完全到達要求的指標範圍，經分析，原因在於：
通過對比，發現頻率範圍整體下移，這裡可能存在兩個原因，第一是反饋通道上的 存在磨損，使電阻值達不到計算的數值。第二是三角波運放上的反向端的電阻 也存在 一樣的問題。
輸出電壓
① 方波：
② 三角波：
撤除方波信號並接入三角波信號，調節RP1, 測得三角波峰峰值Upp=5V也能達到課題的要求。
③ 正弦波：
將正弦波信號接入示波器，調節RP3和RP4,測得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達課題要求。
3。波形特性測定:
① 方波上升時間:
tr=6.4µs
分析：上升時間達不到要求，這個可以用換運放類型來解決。通過改變運放的速度來改變其上升時間。
