函数信号发生器的设计与制作

函数信号发生器的设计、与装配实习

一．设计制作要求：

掌握方波 一 三角波 一 正弦波函数发生器的设计方法与测试技术。学会由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统的布线方法。掌握安装、焊接与调试电路的技能。掌握在装配过程中可能发生的故障进行维修的基本方法。

二．方波 一 三角波 一 正弦波函数发生器设计要求

函数发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。其电路中使用的器件可以是分立器件，也可以是集成电路(如单片集成电路函数发生器ICL8038)。本次电子工艺实习，主要介绍由集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的方波 一 三角波 一 正弦波函数信号发生器的设计与制作方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种：

1：如先产生正弦波，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。

2：先产生三角波一方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。

3

3：本次电路设计，则采用的 图1函数发生器组成框图

是先产生方波 一 三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。此钟方法的电路组成框图。如图1所示：可见，它主要由：电压比较器、积分器和差分放大器等三部分构成。

为了使大家能较快地进入设计与制做状态，节省时间，在此，重新复习电压比较器、积分器和差分放大器的基本构成和工作原理：

所谓比较器，是一种用来比较输入信号v1和参考电压VREF，并判断出其中哪个大，在输出端显示出比较结果的电路。

在《电子技术基础》一书的9.4—非正弦波信号产生电路的9.4.1中，专门讲述了： A：单门限电压比较器、B：过零比较器 C：迟滞比较器的电路结构和工作原理。

一、 单门限电压比较器

所谓单门限电压比较器，是指比较器的输入端只有一个门限电压。

如果比较器的输入信号从运放的同相端输入，则称为：同相输入单门限电压比较器。

如果比较器的输入信号从运放的反相端输入，则称为：反相输入单门限电压比较器

它们的基本电路结构相同，如图2a所示，不同的是输入信号的接法。

在图2a所示的比较器基本电路中，我们可知：

参考电压REF加于运放的反相端，它可以是正值，也可以是负值（也可以从同相端加入），图中给出的为正值。

而输入信号υ1则加于运放的同相端（也可以从反相端加入）。

由此可见，它是同相输入单门限电压比较器。这时，运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。电路的传输特性如图2b所示。

电路的工作过程是：当输入信号电压υ1小于参考电压VREF时，即差模输入电压υID=υ1一VREF < 0时，运放将处于负饱和状态，输出电压υo= VoL;

当输入信号电压υ1升高到略大于参考电压VREF时，即差模输入电压υID =υ1一VREF > O，运放立即转于正饱和状态，输出电压uo =VoH，

如图的实线所示，它表示υ1在参考电压VREF附近有微小的减小时，输出电压将从正的饱和值VoH过渡到负的饱和值VoL。若有微小的增加，输出电压又将从负的饱和值VoL过渡到正的饱和值VoH。

把比较器输出电压uo从一个电平跳变到另一个电平时相应的输人电压υ1值称为门限电压或阈值电压Vth，对于图2所示电路，Vth = VREF。

反相输入单门限电压比较器的工作原理与之相同。其相应传输特性如图2b中的虚线所示。

二、过零比较器

所谓过零比较器是指将参考电压设为零，即VREF = O，它的基本电路结构如图3a所示：其传输特性如图3 b所示

由过零比较器的基本电路可知，输入信号电压υ1每次过零时，输出电压就要产生突然的变化。这种比较器就称为过零比较器。

其具体的工作过程：见“EWB过零比较器”

当输入信号为正弦波时，每过零一次，比较器的输出端将产生一次电压跳变，其正、负向幅度均受供电电源的限制。因此，输出电压波形将为具有正负极性的方波。

若使方波电压经由RC微分电路(这时电路的时间常数RC 《 T/2，T为输入正弦信号周期》输出，那么输出电压就将为一系列的正、负相间的尖顶脉冲，

如果输出的正负向尖顶脉冲，又经二极管D接到负载电阻RL上，则因二 极管的单向导电作用，负载上就只剩下正向的尖顶脉冲，其时间间隔等于输 入正弦波周期T，如图9.4.2f所示。这里，二极管把负向尖顶脉冲削去了，称 为削波或限幅，二极管D和RL构成限幅电路。

三、迟滞比较器

单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。例如，单门限电压比较器，当输入信号电压υ1中含有噪声或干扰电压时，由于在υ1=Vth=VREF附近出现干扰，输出电压υo将时而为VoH，时而为VoL，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压υo去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。

(1)电路组成

顾名思义，迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。

它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，如图4所示：

就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器{又叫施密特触发器(Schmitt Trigger)}。如将υ1与VREF位置互换，就可组成同相输入迟滞比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压uo的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。

(2)门限电压的估算

由于比较器中的运放处于正反馈状态，因此一般情况下，输出电压υo与 输人电压υ1不成线性关系，只有在输出电压υo发生跳变瞬间，集成运放两个 输入之间的电压才可以近似认为等于零，即υID≈0或υp≈υN=υ1是输出电压υo转换的临界条件。

当输入电压υ1 >υp（门限电压）时，输出电压υo为低电平Vol。 当输入电压υ1 <υp时，输出电压υo为高电平VoH。

一．积分器

二．差分放大器 1）．方波一三角波产生电路

方波 一 三角波信号产生的基本电路如图2所示。

图2 产生方波 一 三角波信号的基本电路

电路工作原理如下:若a点断开，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成同相输入迟滞比较器，R1称为平衡电阻，R3、RP1为正反馈元件，C1称为加速电容，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 。

当比较器的V+ = V- = 0时，比较器翻转，输出信号Vo1则从高电平+Vcc跳到低电平-VEE，或从低电平-VEE跳到高电平+Vcc。

设vo1＝＋Vcc，则：

V+=

R2R3?RP1(+Vcc)+ Via = 0 式1

R2?R3?RP1R2?R3?RP1式中，RP1指电位器的调整值（以下同），将上式整理，得比较器翻转的下门限

电位

Via- =

?R2?R2(+Vcc) = Vcc 式2

R3?RP1R3?RP1?R2R2(-VEE) = Vcc 式3

R3?RP1R3?RP1R2Vcc 式4

R3?RP1若vo1= -VEE ，则比较器翻转的上门限电位 Via+ =

比较器的门限宽度VH为

VH = Via+ －Via- = 2。

由式1－式4可得比较器的电压传输特性，如图3所示

图3 比较器电压传输特性 图4方波－三角波

（见

EWB电压比较器）

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V01 ,则积分器的输出

?02＝当?01＝＋Vcc时 ?02＝当v01＝－Vcc时 ?02＝

?1?01dt 式5

(R4?RP2)C2??(?VEE)?Vcct = t 式6

(R4?RP2)C2(R4?RP2)C2?(?VEE)Vcct = t 式7

(R4?RP2)C2(R4?RP2)C2可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角

波，其波形关系如图4所示

（见EWB积分器）

如果把电压比较器与积分器首尾相连，形成一个闭环电路，则该电路就能够自动产生方波－三角波。

（见EWB HSXHFSQ）

三角波的幅度

V02m = 方波－三角波的频率

R2Vcc 式8

R3?RP1 f=

R3?RP1 式9

4R2(R4?RP2)C2由此可得出以下结论：

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，若要求输出频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。

② 方波的输出幅度约等于电源电压＋Vcc，三角波的输出幅度不超过电源

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。

2．三角波 正弦波变换电路

为学习多级电路的调试技术，我们将选用差分放大器作为三角波- 正弦波的变换电路，波形变换的原理是：利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，分析表明，差分放大器的传输特性曲线ic1 （或ic2）的表达式为 iC1= ?iE1=

?I01?e?vid/VT 式10

式中α＝Ic／IE≈1；Io为差分放大器的恒定电流；VT为温度的电压当量，当室温为25℃ 时，VT≈26mV。

如果vid 为三角波，设表达式

T?4Vm(t?)??T4 式11 vid=??4Vm3?(t?T)?4?t式中，Vm为三角波的幅度；T为三角波的周期。

将式11代入式10，则

?I0??4VmT?(t?)VTT4??1?e iC1(t)?? 式12

?I0?4Vm3?(t?T)??1?eVTT4用计算机对式12进行计算，打印输出的ic1(t) 或ic2(t) 曲线近似于正弦波，

则差分放大器的输出电压ic1(t)、ic2(t)亦近似于正弦波，波形变换过程如图5示

为使输出波形更接近正弦波，要求：

① 传输特性曲线尽可能对

称，线性区尽可能窄； ② 三角波的幅值Vm就接

近晶体管的截止电压值。

图5 三角波 正弦波变换

图6为三角波 正弦波的变换电路，其中，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。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。

图6 三角波——正弦波变换电路

三 、函数发生器的性能指标

● 输出波形 正弦波、方波、三角波等

● 频率范围 频率范围一般分为若干波段：如1HZ－10HZ，10HZ－100HZ，100HZ－1KHZ，1KHZ－10KHZ，10KHZ－100KHZ，100KHZ－1MHZ等6个波段。 ● 输出电压 一般指输出波形的峰值，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

例 设计 方波－三角波－正弦波函数发生器。 性能指标要求：

● 频率范围 1HZ－10HZ，10HZ－100HZ；

● 输出电压 方波Vp-p≤24V，三角波Vp-p＝8V，正弦波Vp-p>1V； ● 波形特性 方波tr< 10us, 三角波уΔ< 2%, 正弦波у－< 5%。

解 （1）确定电路形式及元器件型号采用如图9所示电路：

图9 三角波－方波－正弦波函数发生器实验电路

其中运算放大器A1与A2用一只运放uA747，差分放大器采用晶体管单端输入－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，-Vcc＝-12V。

（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8得

R2V02m41???

R3?RP1Vcc123取R2＝10KΩ，R3＝10KΩ，RP1＝47KΩ，平衡电阻R1＝R2∥(R3+RP1)≈10KΩ

由输出频率的表达示9得 R4?RP2?R3?RP1

4R2C2f当1HZ≤f≤10HZ时，取C2＝10uF,R4=5.1KΩ,RP2=100KΩ；当10HZ≤f≤100HZ时，取C2＝1uF以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变，取平衡电阻R5＝10KΩ。

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＝470uF，滤波电容C6的取值视输出的波形而确定，若含商次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1uF，RE2＝100Ω与

RP4＝100Ω相并联，以减小差分放大的线性区，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

在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联，图9所示电路的装调顺序如下：

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，故这两个单元电路可以同时安装，需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要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V01为方波，A2的输出V02为三角波，微调RP1，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节RP2，则输出频率连续可变。

2．三角波 正弦波变换电路的装调

三角波 正弦波变换电路可利用差分放大器电路平实现，电路的调试步骤如下：

① 差分放大器传输特性曲线调试，将C4与RP3的连线断开，经电容C4输

入差模信号 电压Vid＝50mV,fi=100HZ的正弦波。调节RP4及电阻R，使传输特性曲线对称，再逐渐增大Vid，直到传输特性曲线形状如图5所示，记下此时对应的峰值Vidm。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作I0、VC1Q、VC2Q、VC3Q、VC4Q。

② 三角波 正弦波变换电路调试，将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度（经RP3后输出）等于Vidm，这时V03的波形应接近正弦波，调整C6改善波形。如果V03的波形出现如图10所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应处理措施如下： ● 钟形失真 如图10（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。 ● 半波圆顶或平顶失真 如图10（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点

*

Q偏上或偏下应调整电阻R。

● 非线性失真 如图10（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受

运放性能的影响，可在输出端加滤波网络改善输出波形。

*

图10 波形失真现象

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，两管截止与饱和导通，由于导地输出电阻的影响，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

设计课题 方波 三角波 正弦波函数发生器设计 ● 已知条件 双运放?A747一只（或?A741两只）。

● 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，正弦波Vp-p>1V； 波形特性 方波tr<1us（1KHZ，最大输出时）， 三角波< 2%，正弦波?－< 5%。

三．方波 一 三角波 一 正弦波函数发生器装配工艺 1．元件清单

名 称 集成电路 晶体管 规 格 UA741 3DG130 100 2K 5．1K 电阻器 6．8K 8．2K 10K 20K 100 微调电阻 47K 100K 0.1uF 电容器 1uF 10uF 数 量 2 4 1 2 1 2 1 5 1 1 2 1 1 1 1 备注 运算放大器 470uF 测量接线柱 转换开关座 开关短接头

3 3 1 1 2．认识电路板

印刷电路板的焊盘、连线，如图1所示，图中电路板上只有一个电阻和两段导线。

图1印制电路板图

单面板的剖面图如图2所示。电路板从元件面看的标注字符称为标注层，亦称为丝印字符层;底部称为底层，即导电铜箔层。元件在装配时从丝印字符层的引线孔插入，利用焊锡连接元件的引线和焊盘。为了保证装配优良，同一元件的焊盘与焊盘之

间的相对位置要合适，焊盘的大小、 图2单面板剖面图 引线孔要合适。这些由使用的元件的封装决定。

图3为本次工艺实习所用的通用电路板的底面透视图。

图3通用电路板的底面透视图。

3、装配流程与工艺

1）基本知识

在生产厂家的实际生产中，为保证产品质量及生产效率，通常有严格的生

产工艺。在这里我们主要可以了解一个电子产品的工艺流程，同时可以学习焊接工艺、整机总装工艺。 一般电子产品的生产工艺流程如图4所示。

配料—主要是准备好材料，如对电子元件进行定型、对引出线进行裁长及端头处理等等。

插件—是把电子元件插入线路板 焊锡—是把元件引脚与线路板的焊盘通过焊锡连接起来。通常有手工焊接、浸焊、波峰焊等。

我们这里将采用手工焊接。焊接是一关键的工序，工厂通常采用浸焊或波峰焊下面主要介绍一下手工焊接工艺流程和方法。

（1)手工焊接的基本步骤

手工焊接的基本步骤如图5

(2)保证焊接质量的因素

1．保持焊接触表面及烙铁头清洁。初次使用烙铁头要先将烙铁头浸上一层锡。

平时焊接时要勤在浸水的海棉上擦试烙铁头，以保证焊铁头保持干净、不被氧化。

2．选择合适的焊料和焊剂。保证焊点有良好的导电性及足够的机械强度。焊接点的焊锡面应发亮。

3．保证合适的焊接温度。烙铁头的温度一般控制在300°C士lO°C。 4．合适的焊接时间。焊接时间与烙铁头的温度、被焊接件散热特性有关。一般掌握在焊锡自然扩张至整个焊接部件后稍作停留，通常不要超3秒钟。

良好焊点的特点:

焊锡自然扩张，铺满整个焊盘，外形如倒立的富士山，如图6。

不良的焊接如图7

2）电路板的装配的基础知识

本次采用手工焊接与装配。各元件的安装注意如下事项。

（1）跨接线

跨接线俗称“跳线”，实际上是用于短路的导线，一般为了便于电路板走线。在插件时应贴紧线路板。

(2)电阻

电阻是电子线路中最见的元件，小功率的电阻一般可以贴线路板安装。对于消耗功率较大的电阻，在安装时应考虑散热;一般不能贴紧线路板安装，而是应离开线路板一定的距离。

(3)二极管

二极管是有方向（即正、负极之分）的元件，在安装时必须注意二极管的方向（极性）。

(4)绦纶电容

绦纶电容无极性，但在安装时必须注意电容量的大小。

(5)电解电容

电解电容是有极性的元件，安装时一定要注意电解电容引脚的极性。电解电容的体积一般较大，在插件时要尽量贴紧线路板安装。为了防止电解电容在振动下脱落，对于重量较重的电容还应考虑涂热溶胶固定。

(6)电位器

电位器有线性型和指数型之分，在安装时要注意分清。

(7)晶体三极管

晶体三极管的特性如二极管一样，有基极、发射极与集电阳极之分。安装时一定要注意晶体管引脚的区分。 (8)集成电路

集成电路有方向之分，在插件时必须注意集成电路缺口的位置。 (9)引线

线路板的引出线在生产中通常采用插接件引出。这里采用直接焊线引出。引线焊接之前首先要进行配线处理，即按线长要求进行裁线、并对端头进行理。

实验与思考题

1．在三角波 正弦波变换电路中，差分对管射极并联电阻RE2有何作用？增大RE2的值或用导线将RE2短接，输出正弦波有何变化？为什么？

2． 三角波的输出幅度是否可以超过方波的幅度？如果正负电源电压平等，输

出波形如何？ 实验证明之。

3． 为什么在安装RP1、RP2时，要先将其调整到设计值？ 4． 你采取了哪些措施来改善输出正弦波的波形？

5． 如果方波的幅度减小为低于电源电压的某一固定电压值，则比较器的输出

电路应如何变

化，画出设计的电路，并实验证明。

6． 用差分放大器实现三角波、正弦波的变换，有何优缺点？为什么？

7． 三角波的非线性系数?△ 与哪些因素有关？如何减小正弱波的非线性失真

系数?－？ 8． 如何将方波－三角波发生器改变成矩形波，锯齿波发生器？画出设计的电

路，并用实验 证明，绘出波形。

9． ICL8038的输出频率与哪些参数有关？如何减小波形失真？装调图8所示

电路，测试静

态工作点与输出波形。 10． 用ICL8038设计产生脉冲波、调频波、锯齿波装调电路，测试静态工

作点与输出波形。

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