函数信号发生器的设计举例 - 图文

设计示例一：

函数信号发生器的设计

函数信号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压或仪器。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（如视频信号函数发生器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5G8038）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题要求设计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。

一、设计任务书 1．设计课题

函数信号发生器设计。 2.主要技术指标

1）输出波形：正弦波、方波、三角波等 2）频率范围：1～１０Hz，１０～１００Ｈz

1

3) 输出电压：方波Up-p=24V，三角波Up-p=6V，正弦波U>1V；

4) 波形特征：方波tr<10s（1kHz，最大输出时），三角波失真系数THD<2%，正弦波失真系数THD<5%。

二、设计过程举例 1.课题分析

根据任务，函数信号发生器一般基本组成框图如图4.2.15所示。读者可参阅有关参考资料。

图4.2.15 函数信号发生器框图

2．方案论证

（1）确立电路形式及元器件型号 1）方波-三角波电路

图4.2.16所示为产生方波-三角波电路。工作原理如下：若a点短开，运算放大器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

2

器的翻转。

图4.2.16 方波-三角波产生电路

由图4.2.16分析可知比较器有两个门限电压

Uth1??R2R3?RP1VCC

Uth2?R2R3?RP1VCC

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时，则输出积分器的电压为

Uo2??1(R4?RP1)C2?Uo1dt

当Uo1=+VCC时

Uo2??VCC(R4?RP1)C2t

3

当Uo1=-VEE时

Uo2?VEE(R4?RP1)C2t

可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图4.2.17所示。

图4.2.17 方波-三角波波形

A点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为

Uo2m?R2R3?RP1VCC

方波-三角波的频率为

4

f?R3?RP14R2(R4?RP1)C2

由上分析可知：

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。

②方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器RP1可实现幅度上午微调，但会影响波形的频率。 2）三角波→正弦波的变换

三角波→正弦波的变换主要有差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，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的非线性。其非线性及变换原理如图4.2.18所示。

5

图4.2.18 三角波→正弦波的变换原理 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； 三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

图4.2.19为三角波→正弦波的变换的电路。其中RP1调节三极管的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减少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，以减少滤波分量，改善输出波形。

6

图4.2.19 三角波→正弦波变换电路

整个设计电路采用如图所示。其中运算放大器A1、A2用一只双运放μA747，差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管BG319或双三极管S3DG6等。取电源电压为±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： 由于

7

Uo2m?因此

R2R3?RP1VCC

R2R3?RP1?Uo2mVcc?412?13

取R3=10kΩ,则R3+RP1=30 kΩ，取R3=20kΩ, RP1为47 kΩ的电位器。取平衡电阻R1=R2//（R3+RP1）≈10 kΩ。 因为

f?R3?RP14R2(R4?RP1)C2

当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10μF，则R4+RP2=（75~7.5）kΩ，取5.1 kΩ，RP2为100 kΩ电位器。当 19Hz≤f≤100Hz，取C2=1μF以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。取平衡电阻R5=10 kΩ。

三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：隔

8

直电容C3、C4、C5要取得大，因为输出频率较低，取C3=C4=C5=470μF，滤波电容C6一般为几十皮法至0.1μF。RE2=100Ω与RP4=100Ω，相并联，以减少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。

3．方波-三角-正弦波函数发生器电路图 根据以上设计，可画出方波-三角-正弦波函数发生器电路图如图4.2.20所示。

图4.2.20方波-三角-正弦波函数发生器电路图

4．安装与调试

图4.2.20所示方波-三角-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的，在装调多级电路时，通

9

常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。

（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，这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使RP1=10KΩ，RP2取（2.5~70）Ω内的任一阻值,否则电路可能会不起振.只要电路接线正确,上电后,U01的输出为方波,U02的输出为三角波,微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求,调节RP2,则输出频率在对应波段内连续可变.

（2）三角波-正弦波变换电路的装调

按照图4.2.20所示电路，装调三角波-正弦波变换电路，其中差分放大器可利用课题三设计完成的电路。电路的调试步骤如下：

1）经电容C4输入差模信号电压uid=500mV，fi=100Hz的正弦波。调节RP4及电阻R*，使传输特

10

性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-73所示，记下此时对应的uid，即uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点I0、Uc1、Uc2、Uc3、Uc4。

2）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uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图4.2.21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措施有：

①钟形失真 如图4.2.21（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。

②半波圆顶或平顶失真 如图4.2.21（b）如示，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*。

③非线性失真 如图图4.2.21（c）所示，三角波的线性度较差引起的非线性失真，主要受运放性能

11

的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=0.1mF）改善输出波形。

图4.2.21 几种正弦波失真 （3）性能指标测量与误差分析

①方波输出电压UP-P≤2VCC是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复补对称电路，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，使方波输出度小于电源电压值。

②方波的上升时间tr，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可接入加速电容C1（图4.2.16），一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲示波器测量tr。

三、设计要求：

（1）调研，查找并收集资料；

12

（2）总体设计，画出框图；

（3）单元电路设计，进行必要的计算； （4）电气原理设计，绘原理图（用EWB仿真工具绘图。）；对每一个电路都要进行计算仿真，并分析仿真结果；

(5)列元器件明细表。

(6)撰写设计说明书（字数5000左右）。(7)参考资料目录。

13

设计示例二：

脉搏计的设计

设计题目：设计一个脉搏计，要求实现在15s内测量lmin的脉搏数，并且显示其数字。正常人脉搏数为60~80次／min，婴儿为90～100次／min，老人为100～150次/min。

总体方案：

1、课题分析 电子脉搏计是用来测量一个人心脏跳动次数的电子仪器，也是心电图的主要组成部分。由给出的设计技术指标可知，脉搏计是用来测量频率较低的小信号(传感器输出电压一般为几个毫伏)，它的基本功能应该是：

①用传感器将脉博的跳动转换为电压信号，并加以放大、整形和滤波。

②在短时间内(15s内)测出每分钟的脉搏数。

14

2、选择总体方案

(1)提出方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出下面两种方案。

方案I 如图1-1所示，图中各部分的作用如下：

基准时间产生电路 传感器 放大与整形 倍频器 控制电路 计数译码显示 图1-1 脉搏计方案I 1)传感器 将脉搏跳动信号转换为与此相对应的电脉冲信号。

2)放大与整形 电路将传感器的微弱信号放大，整形除去杂散信号。

3)倍频器 将整形后所得到的脉冲信号的频率提高。如将15s内传感器所获得的信号频率4倍频，即可得到对应一分钟的脉冲数，从而缩短测量时间。

4)基准时间产生电路 产生短时间的控制信号，以控制测量时间。

5)控制电路 用以保证在基准时间控制下，使4倍

15

频后的脉冲信号送到计数、显示电路中。

6)计数、译码、显示电路 用来读出脉搏数，并以十进制数的形式由数码管显示出来。

7)电源电路 按电路要求提供符合要求的直流电源。

上述测量过程中，由于对脉冲进行了4倍频，计数时间也相应地缩短了4倍(15s)，而数码管显示的数字却是lmin的脉搏跳动次数。用这种方案测量的误差为±4次／min，测量时间越短，误差也就越大。

方案Ⅱ 如图1-2所示。该方案是首先测出脉搏跳动5次所需的时间，然后再换算为每分钟脉搏跳动的次数，这种测量方法的误差小，可达±1次／min。此方案的传感器、放大与整形、计数、译码、显示电路等部分与方案I完全相同，现将其余部分的功能叙述如下：

1) 六进制计数器 用来检测六个脉搏信号，产生五个脉冲周期的门控信号。

16

2) 基准脉冲(时间)发生器 产生周期为0.1s的基准脉冲信号。

3) 门控电路 控制基准脉冲信号进入8位二进制计数器。

4) 8位二进制计数器 对通过门控电路的基准脉冲进行计数，例如5个脉搏周期为5s，即门打开5s的时间，让0.1s周期的基准脉冲信号进入8位二进制计数器，显然计 数值为50，反之，由它可相应求出5个脉冲周期的时间。

5) 定脉冲数产生电路 产生定脉冲数信号，如3000个脉冲送入可预臵8位计数器输入端。

6) 可预臵8位计数器 以8位二进制计数器输出值（如50）作为预臵数，对3000个脉冲进行分频，所得的脉冲数（如得到60个脉冲信号），即心率，从而完成计数值换成每分钟的脉搏次数。现在所得的结果即为每分钟的脉搏数。

17

传感器 基准时间发生器 门控电路 放大与整形 六进制计数器 8位二进制计数器

定脉冲数产生电路 可预置8位计数器 译码显示电路 图1-2 脉搏计方案Ⅱ

（2）方案比较 方案Ⅰ结构简单，易于实现，但测量精度偏低；方案Ⅱ电路结构复杂，成本高，测量精度较高。根据设计要求，精度为 ±4次／min，在满足设计要求的前提下，应尽量简化电路，降低成本，故选择方案Ⅰ。 单元电路的设计：

1、放大与整形电路 如上所述，此部分电路的功能是由传感器将脉搏信号转换为电信号，一般为几十毫伏，必须加以放大，以达到整形电路所需的电压，一般为几伏。放大后的信号波形是不规则的脉冲信号，因此必须加以滤波整形，整形电路的输出电压应满足

18

计数器的要求。

（1）选择电路：所选放大整形电路框图如图1-3 所示。

1）传感器：传感器采用了红外光电转换器，作用是通过红外光照射人的手指的血脉流动情况，把脉搏跳动转换为电信号，其原理电路如图1-4 所示。 +Vcc +Vcc

图1-3 放大与整形电路框图

传感器 放大整形 有源滤波 整 形 电平转换

19

图1-4 传感器信号调节原理电路

图1-5 同相放大器电路

图中，红外线发光管VD采用TLN104，接收三极管TLP104。用+5V电源供电，R1取500Ω，R2取10kΩ。

2）放大电路：由于传感器输出电阻比较高，故放大电路采用了同相放大器，如图1-5 所示，运放采用了LM324，电源电压±5V，放大电路的电压放大倍数为10倍左右，电路参数如下：R4=100kΩ，R5=910kΩ，R3为10kΩ电位器， C1=100μF。

3）有源滤波电路：采用了二阶压控有源低通滤波电路，如图1-6 所示，作用是把脉搏信号中的高频干扰信号去掉，同时把脉搏信号加以放大，考虑到去掉脉搏信号中的干扰尖脉冲，所以有源滤波电路的截止频率为lkHz左右。为了使脉搏信号放大到整形电路所需的电压值，通常电压放大倍数选用1.6倍左右。集成运放采用LM324。

4)整形电路：经过放大滤波后的脉搏信号仍是不

20

规则的脉冲信号，且有低频干扰，仍不满足计数器的要求，必须采用整形电路，这里选用了滞回电压比较器，如图1-7 所示，其目的是为了提高抗干扰能力。集成运放采用了LM339，其电路参数如下：R10=5.1kΩ，R11=100kΩ，R12=5.1kΩ。电源电压±5V。由于LM339属于集电级开路输出，使用时输出端应加2kΩ的上拉电阻。

图1-6 二阶有源滤波电路

图1-7 施密特整形电路和电平转换电路

R6、R7 1.6kΩ，R8 l5kΩ， R99.1kΩ， C2、C3 0.1μF

5)电平转换电路：由比较器输出的脉冲信号是一个正负脉冲信号，不满足计数器要求的脉冲信号，故

21

采用电平转换电路，见图1-7。

(2)放大与整形部分电路 如图1-8所示。 +Vcc

2、倍频电路 该电路的作用是对放大整形后的脉搏信号进行4倍频，以便在15s内测出l min内的人体脉搏跳动次数，从而缩短测量时间，以提高诊断效率。

图1-8 放大与整形部分电路

22

倍频电路的形式很多，如锁相倍频器、异或门倍频器等，由于锁相倍频器电路比较复杂，成本比较高，所以这里采用了能满足设计要求的异或门组成的4倍

频电路，如图1-9所示。

图1-9

G1和G2构成二倍频电路，利用第一个异或门的延迟时间对第二个异或门产生作用，当输入由“0”变成“1”或由“1”变成“0”时，都会产生脉冲输出。

电容器c的作用是为了增加延迟时间，从而加大输出脉冲宽度。根据实验结果选用C4=33μF，R13=10kΩ，R14= l0kΩ，C5= 6.8μF。由两个二倍频电路就构成了四倍频电路。其中异或门选用了CC4070。

3、基准时间产生电路 基准时间产生电路的功

23

能是产生一个周期为30s(即脉冲宽度为15s)的脉冲信号，以控制在15s内完成一分钟的测量任务。实现这一功能的方案很多，我们采用如图1-10 的方案。

秒脉冲发生器 十五分频器 图1-10 基准时间产生电路框图

二分频电路 由框图可知，该电路由秒脉冲发生器、十五分频电路和二分频电路组成。

(1)秒脉冲发生器 电路如图1-11 所示。为了保证基准时间的准确，采用了石英晶体振荡电路，石英晶体的主频为32．768kHz，反相器采用CMOS器件， R15可在5～30MΩ范围内选择，R16可在10～150kΩ范围内选择，振荡频率基本等于石英晶体的谐振频率，改变C7的大小对振荡频率有微调的作用。这里选用 R15为5.1MΩ，R16为51kΩ，C6为56pF，C7为3～56pF，反相器利用了 CC4060中的反相器，如图1-11和1-12所示。选用CC4060 14位二进制计数器对32．768kHz进行14次二分

24

频，产生一个频率为2Hz的脉冲信号，然后用双D触发器CC4013进行二分频得到周期为1s的脉冲信号。

(2)十五分频和二分频器 电路如图1-13所示，由SN74161组成十五进制计数器，进行十五分频，然后用CC4013组成二分频电路，产生一个周期为30s的方波，即一个脉宽为15s的脉冲信号。 (3)基准时间产生部分的电路图 如图1-14 所示。

C6

图1-11 石英晶体振荡器

图1-12 秒脉冲发生器

25

图1-14 基准时间

产生电路图

图1-13 十五分频和二分频电路

4、计数、译码、显示电路 该电路的功能是读出脉搏数，以十进制数形式用数码管显示出来，如图1-15所示。

图1-15 计数、译码、显示

电路

因为人的脉搏数最高是150次／min，所以采用

26

3位十进制计数器即可。该电路用双BCD同步十进制计数器CC4518构成3位十进制加法计数器，用 CC4511BCD-七段译码器译码，用七段数码管LT547R完成七段显示。

5、控制电路 控制电路的作用主要是控制脉搏信号经放大、整形、倍频后进入计数器的时间，另外还应具有为各部分电路清零等功能，如图1-16所示。

? 画总电路图

根据以上设计好的单元电路和图1-1所示的框图，可画出本题的总体电路，如图1-17所示。

图1-16 控制电路

27

图1-17 脉搏计的总体电路图

? 元器件的选择

从某种意义上讲，电子电路的设计就是选择最合适的元器件，并把它们最好地组合起来。因此在设计过程中，经常遇到选择元器件的问题，不仅在设计单元电路和总体电路及计算参数时要考虑选哪些元器件

28

合适，而且在提出方案、分析和比较方案的优缺点时，有时也需要考虑用哪些元器件以及它们的性能价格比如何等。怎样选择元器件呢，必须搞清两个问题。第一，根据具体问题和方案，需要哪些元器件，，每个元器件应具有哪些功能和性能指标；第二，有哪些元器件实验室有，哪些在市场上能买到，性能如何，价格如何？体积多大？电子元件种类繁多，新产品不断出现，这就需要经常关心元器件的信息和新动向，多查资料。

1．一般优先选用集成电路 集成电路的应用越来越广泛，它不但减小了电子设备的体积、成本，提高了可靠性，安装、调试比较简单，而且大大简化了设计，使数字电路的设计非常方便。现在各种模拟集成电路的应用也使得放大器、稳压电源和其他一些模拟电路的设计比以前容易得多。例如：+5V直流稳压电源的稳压电路，以前常用晶体管等分立元件构成串联式稳压电路，现在一般都用集成三端稳压器7805

29

构成。二者相比，显然后者比前者简单得多，而且很容易设计制作，成本低、体积小、重量轻、维修简单。但是，不要以为采用集成电路一定比用分立元件好，有些功能相当简单的电路，只要一只二极管或三极管就能解决问题，若采用集成电路反而会使电路复杂，成本增加。例如5～10MHz的正弦信号发生器，用一只高频三极管构成电容三点式LC振荡器即可满足要求。若采用集成运放构成同频率的正弦波信号发生器，由于宽频带集成运放价格高，成本必然高。因此在频率高、电压高，电流大或要求噪声极低等特殊场合仍需采用分立元件，必要时可画出两种电路进行比较。

2．怎样选择集成电路 集成电路的品种很多，选用方法一般是“先粗后细”，即先根据总体方案考虑应该选用什么功能的集成电路，然后考虑具体性能，最后根据价格等因素选用某种型号的集成电路。例如需要构成一个三角波发生器，既可用函数发生器8038，也可用集成运放构成。为此就必须了解8038

30

的具体性能和价格。若用集成运放构成三角波发生器，就应了解集成运放的主要指标，选哪种型号符合三角波发生器的要求，货源和价格等情况如何，综合比较后再确定是选用8038好，还是选用集成运放构成的三角波发生器好。

选用集成电路时，除以上所述外，还必须注意以下几点：

①应熟悉集成电路的品种和几种典型产品的型号、性能、价格等，以便在设计时能提出较好的方案，较快地设计出单元电路和总电路。

②选择集成运放，应尽量选择“全国集成电路标准化委员会提出的优选集成电路系列”(集成运放)中的产品。

③同一种功能的数字集成电路可能既有CMOS产品，又有TTL产品，而且 TTL器件中有中速、高速、甚高速、低功耗和肖特基低功耗等不同产品，CMOS数字器件也有普通型和高速型两种不同产品，

31

选用时一般情况可参考表1-1。对于某些具体情况，设计者可根据它们的性能和特点灵活掌握。 对器件性能的要求 工作频率 不高(例如其他要求 使用方便、成本推荐选用的器件种类 产品种类 肖特基低功耗TTL 高速TTL 5MHz以下) 低、不易损坏 高(例如30MHZ) 较低(例如 功耗小或输入1MHz以下) 电阻大，或抗干扰 较高 容限大，或高低电平一致性好 普通CMOS 高速CMOS 表1-1 选用TTL和CMOS的规则 ④CMOS器件可以与TTL器件混合使用在同一电路中，为使二者的高、低电平兼容，CMOS器件应尽量使用+5V电源。但与用+15V供电的情况相比，

32

某些性能有所下降，例如，抗干扰的容限减小，传输延迟时间增长等。因此，必要时CMOS器件仍需+15V电源供电，此时，CMOS器件与TTL器件之间必须加电平转换电路。

⑤集成电路的常用封装方式有三种：即扁平式、直立式和双列直插式，为便于安装、更换、调试和维修，一般情况下，应尽可能选用双列直插式集成电路。 3．阻容元件的选择 电阻和电容是两种常用的分立元件，它们的种类很多，性能各异。阻值相同、品种不同的两种电阻或容量相同、品种不同的两种电容用在同一电路中的同一位臵，可能效果大不一样；此外，价格和体积也可能相差很大。设计者应当熟悉各种常用电阻和电容的种类、性能和特点，以便根据电路的要求进行选择。 ? 计算参数

在电子电路的设计过程中，常常需要计算一些参数。例如，在设计积分电路时，不仅要求出电阻值和

33

电容值，而且还要估算出集成运放的开环电压放大倍数、差模输入电阻、转换速率、输入偏臵电流、输入失调电压和输入失调电流及温漂，才能根据计算结果选择元器件。至于计算参数的具体方法，主要在于正确运用在“模拟电子技术基础”和“数字电子技术基础”中已经学过的分析方法，搞清电路原理，灵活运用计算公式。对于一般情况，计算参数应注意以下几点：

①各元器件的工作电压、电流、频率和功耗等应在允许的范围内，并留有适当裕量，以保证电路在规定的条件下，能正常工作，达到所要求的性能指标。 ②对于环境温度、交流电网电压等工作条件，计算参数时应按最不利的情况考虑。

③涉及元器件的极限参数(例如整流桥的耐压)时，必须留有足够的裕量，一般按1.5倍左右考虑。例如，如果实际电路中三极管c、e、两端的电压UCE的最大值为20V，挑选三极管时应按U(BR)CEO≥30V

34

考虑。

④电阻值尽可能选在1MΩ范围内，最大一般不应超过10MΩ，其数值应在常用电阻标称值系列之内，并根据具体情况正确选择电阻的品种。

⑤非电解电容尽可能在100pF~0.1μF范围内选择，其数值应在常用电容器标称值系列之内，并根据具体情况正确选择电容的品种。

⑥在保证电路性能的前提下，尽可能设法降低成本，减少器件品种，减小元器件的功耗和体积，为安装调试创造有利条件。

⑦应把计算确定的各参数值标在电路图的恰当位臵。

35

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/tkv3.html