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。