函数波形发生器课程设计.1课程设计的内容（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波.（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计（3）指标：输出波形：正弦波、三角波、方

函数波形发生器课程设计.1课程设计的内容（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波.（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计（3）指标：输出波形：正弦波、三角波、方
函数波形发生器课程设计
.1课程设计的内容
（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波.
（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计
（3）指标：
输出波形：正弦波、三角波、方波
频率范围：1Hz~10Hz,10Hz~100Hz
输出电压：方波VP-P≤24V,三角波VP-P=8V,正弦波VP-P＞1V；
（4）对单片集成函数发生器8038应用接线进行设计.
1.2课程设计的要求
（1）提出具体方案
（2）给出所设计电路的原理图.
（3）进行电路仿真,PCB设计.

函数波形发生器课程设计.1课程设计的内容（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波.（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计（3）指标：输出波形：正弦波、三角波、方
函数波形发生器设计
摘 要
函数信号发生器是一种能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路.函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途.通过对函数波形发生器的原理以及构成分析,可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器.
本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法,先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过差分放大器形成正弦波.波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性.
经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波——三角波转换及三角波——正弦波转换的波形图.
关键字：函数信号发生器、集成运算放大器、晶体管差分放
设计目的、意义
1 设计目的
（1）掌握方波—三角波——正弦波函数发生器的原理及设计方法.
（2）掌握迟滞型比较器的特性参数的计算.
（3）了解单片集成函数发生器8038的工作原理及应用.
（4）能够使用电路仿真软件进行电路调试.
2 设计意义
函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一.
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时,都学要有信号源,由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上,用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应,以分析确定它们的性能参数.信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器.它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域.
设计内容
1 课程设计的内容与要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1.1课程设计的内容
（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波.
（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计
（3）指标：
输出波形：正弦波、三角波、方波
频率范围：1Hz~10Hz,10Hz~100Hz
输出电压：方波VP-P≤24V,三角波VP-P=8V,正弦波VP-P＞1V；
（4）对单片集成函数发生器8038应用接线进行设计.
1.2课程设计的要求
（1）提出具体方案
（2）给出所设计电路的原理图.
（3）进行电路仿真,PCB设计.
2 函数波形发生器原理
2.1函数波形发生器原理框图

图2.1 函数发生器组成框图
2.2函数波形发生器的总方案
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器.根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038).为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法.
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等.本课题采用先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法[3].
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成.差分放大器具有工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点.特别是作为直流放大器时,可以有效地抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波.波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性.
2.3函数波形发生器各组成部分的工作原理
2.3.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成.RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充、放电实现输出状态的自动转换.设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut.Uo通过R3对电容C正向充电,如图2.3中实线箭头所示.反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz；但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut.随后,Uo又通过R3对电容C反向充电,如图中虚线箭头所示.Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz；但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正相充电.上述过程周而复始,电路产生了自激振荡[4].
2.3.2方波——三角波转换电路的工作原理
图2.2方波—三角波产生电路
工作原理如下：
若a点断开,整个电路呈开环状态.运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可加速比较器的翻转.运放的反相端接基准电压,即U-=0,同相输入端接输入电压Uia,R1称为平衡电阻.比较器的输出Uo1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|）, 当比较器的U+=U-=0时,比较器翻转,输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc.设Uo1=+ Vcc,则
(2.1)
将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia_为
(2.2)
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(2.3)
比较器的门限宽度：
(2.4)
由以上公式可得比较器的电压传输特性,如图2.3所示.
a点断开后,运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出Uo2为：
(2.5)
时,
(2.6)
时,
(2.7)
可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系如图2.4所示.
a点闭合,即比较器与积分器形成闭环电路,则自动产生方波-三角波.三角波的幅度为：
(2.8)
方波-三角波的频率f为：
(2.9)
由以上两式(2.8)及(2.9)可以得到以下结论：
(1) 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时,不会影响输出波形的幅度.若要求输出频率的范围较宽,可用C2改变频率的范围,PR2实现频率微调.
(2) 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc.三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc.
电位器RP1可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率[3].

图2.3比较器的电压传输特性

图2.4方波与三角波波形关系
2.3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理
如图2.5三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成.
差分放大器具有工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点.特别是作为直流放大器,可以有效的抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波.波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性[1].
图2.5 三角波——正弦波的变换电路
分析表明,传输特性曲线的表达式为：
(2.10)
(2.11)
式中
——差分放大器的恒定电流；
——温度的电压当量,当室温为25oc时, ≈26mV.
如果Uid为三角波,设表达式为
(2.12)
式中 Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期.
为使输出波形更接近正弦波,由图2.6可见：
（1）传输特性曲线越对称,线性区越窄越好.
（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区.
（3）图2.7为实现三角波——正弦波变换的电路.其中RP1调节三角波的幅度,RP2调整电路的对称性,其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区.电容C1,C2,C3为隔直电容,C4为滤波电容,以滤除谐波分量,改善输出波形[2].

图2.6三角波—正弦波变换原理
图2.7三角波—正弦波变换电路
2.4电路的参数选择及计算
2.4.1方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）
实物连线中,我们一开始很长时间出不来波形,后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时,顺利得出波形.实际上,分析一下便知当C2=10uf时,频率很低,不容易在实际电路中实现.
2.4.2三角波—正弦波部分的计算
比较器A1与积分器A2的元件计算如下：
由式（2.8）得
即
取 ,则 ,取 ,RP1为47KΩ的点位器.取平衡电阻
由式（2.9）
即
当 时,取 ,则 ,取 ,为100KΩ电位器.当 时 ,取 以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变.取平衡电阻 .
三角波—正弦波变换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 ,滤波电容 视输出的波形而定,若含高次斜波成分较多, 可取得较小, 一般为几十皮法至0.1微法.RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联,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*确定.
2.5 总电路图
先通过比较器产生方波,再通过积分器产生三角波,最后通过差分放大器形成正弦波.如图2.5.1所示,
图2.5.1三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路
2.6 8038单片集成函数发生器
2.6.1 8038的工作原理
8038由恒流源I1、I2,电压比较器C1、C2和触发器①等组成.其内部原理电路框图和外部引脚排列分别如图2.8和图2.9所示.

图2.8 8038原理框图

图2.9 8038管脚图（顶视图）
1. 正弦波线性调节；2. 正弦波输出；3. 三角波输出；4. 恒流源调节；5. 恒流源调节；6. 正电源；7. 调频偏置电压；8. 调频控制输入端；9. 方波输出（集电极开路输出）； 10. 外接电容；11. 负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14. 空脚
在图2.8中,电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE）,电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,且I2必须大于I1.当触发器的Q端输出为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开.而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压vC随时间线性上升,当vC上升到vC=2VR/3 时,比较器C1输出发生跳变,使触发器输出Q端由低电平变为高电平,控制开关S使电流源I2接通.由于I2>I1 ,因此电容C放电,vC随时间线性下降.当vC下降到vC≤VR/3 时,比较器C2输出发生跳变,使触发器输出端Q又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,vC又随时间线性上升.如此周而复始,产生振荡.若I2=2I1 ,vC上升时间与下降时间相等,就产生三角波输出到脚3.而触发器输出的方波,经缓冲器输出到脚9.三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出.当I1