简易函数发生器设计

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,简易,函数发生器,设计与制作,要求实现的目标,基本部分：,1.,输出三角波，频率在,20Hz-20KHz,之间可调，输出幅度峰峰值约为,10V,。,2.,输出与三角波同步的方波，频率在,20Hz-20KHz,可调。方波幅度约为,10V,。,发挥部分：,1.,输出与三角波同步的信号波形完整不失真正弦波，频率在,20Hz-20KHz,可调。,设计方案参考,参考方案一：,先产生正弦波，而后比较器产生方波；再通过积分器或其它电路产生三角波；最后通过幅值控制和功率放大电路输出信号。此电路的正弦波发生器的设计要求频率连续可调，方波输出要有限幅环节，积分电路的时间参数选择很重要，保证电路不出现积分饱和失真。,设计方案参考,参考方案二,先产生方波，而后通过积分器或其它电路产生三角波，再用有源滤波器产生正弦波；最后通过幅值控制和功率放大电路输出信号。此电路的方波发生器的设计要求频率连续可调，输出要有限幅环节，积分电路的时间参数选择保证电路不出现积分饱和失真。,设计方案参考,参考方案三,先产生方波，而后通过积分器或其它电路产生三角波，再用折先法将三角波转换为正弦波；最后通过幅值控制和功率放大电路输出信号。此电路的方波发生器的设计要求频率连续可调，输出要有限幅环节，积分电路的时间参数选择保证电路不出现积分饱和失真。 参考方案四,设计方案参考,参考方案四,先产生三角波，而后通过比较器产生方波，同时用折线法将三角波转换为正弦波输出。此电路的三角波发生器的设计要求频率连续可调，积分电路的时间参数选择保证电路不出现积分饱和失真。,1.,简易函数发生器原理,工作原理图,函数发生器的核心是,VCO,，它产生三角波和方波。,1.,简易函数发生器原理,工作原理图,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,FET,构成的开关,FET,导通时,R,3,R,ON,此时运算放大器工作与反向放大器,若,R1=R2,则增益为,-1,。,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,FET,构成的开关,FET,截止时,R,1,到,R,2,无电流流通,此时运算放大器工作于缓冲放大器,则增益为,+1,。,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,对于,FET,，这里使用,N,沟道,FET,，当偏置电压为其本身的夹断电压,VP,以上时，,FET,为截止状态,(,漏,-,源极间电阻值非常高,),，而零偏置时,FET,为导通状态，漏,-,源极间电阻值为数百欧，也就是说，,FET,相当于开关作用。,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,开关,FET,导通时该电路工作于反相放大器,(,若,R,1,=R,2,，则增益,),，控制电压,VC,极性反转为,VC,。,而,FET,开关为截止状态时，运算放大器的同相输入端直接串联电阻,R3,，若运算放大器的输入电流为零,(,实际上为几纳安数量级的电流,),，则控制电压,VC,原样呈现在输出端。,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,而,FET,开关为截止状态时，若运算放大器不能正常工作时，要注意电阻,R1,和,R2,是否接好，当运算放大器正常反馈工作时二个输入端之间电位差应为零，因此，反相输入端电位为,+VC,，电阻,R1,中无电流流通。也就是说，该电路的工作状态相当于普通的电压跟随器，即增益为,1.0,的放大器。,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,D1,为二极管,可选,1N4148,Tr1,零偏时导通,.,当,D1,右边为负时,二极管,D1,通,D1,左边更负, Tr1,截止,.,当,D1,右边为正时,二极管,D1,不通,D1,左边为,0, Tr1,导通,.,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,0_10V,电压可由电源分压得到,.,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路,上方是,n,沟道,FET,开关,20KHZ,的驱动波形，下方是运放,A1,的,/-V,C,输出波形,.20K,对于运放是相当高的开关频率,因此开关出现延迟,.,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路 参数选择,决定极性切换电路的电阻,R1,和,R2,阻值，即,R1,R2,即可，其阻值根据反转时输入电阻的阻值来决定。运算放大器构成的低输出电阻的电路对该电路进行控制时，,R1,和,R2,阻值可设定为数千欧以上，这里可选用,10k,电阻。,1.,简易函数发生器原理,运放构成的极性切换电路 参数选择,电阻,R3,与,FET,开关的通,/,断之比有关，,FET,截止电阻与导通电阻,r,on,相比应足够大,(,ron,约为,300,欧时,FET,截止电阻为数十千欧以上,),，,R3,阻值过大时，若运算放大器,A,的输入电容与杂散电容设定的常数接近开关频率，则电路会出问题。,(,可选,R3=10K.),1.,简易函数发生器原理,积分电路,积分电路中运算放大器,A2,的输入电流,i,对电容,C0,进行充电，这时积分器输出电压变化率,(,斜率,),由,e0=-,i/c(V/S,),决定。也就是说，输入电流,i,越大，则每单位时间的电压变化越大。这就是输出波形的斜率即三角波的频率应与,VC,大小成比例。,1.,简易函数发生器原理,积分电路,若电路按原样积分，不久输出电压就达到饱和并接近电源电压。在饱和之前，积分电压达到某基准电压,VR,时极性切换电路反转，积分输入电流方向也反转，进行这种工作的就是比较器。,在,+VR,VR,之间重复这种动作，由此持续进行三角波振荡。,1.,简易函数发生器原理,积分电路,(,改善线性,),使用运算放大器的积分电路高频特性不好，因此，对于标准的电路要接人一个与积分电容串联的电阻，从而改善振荡频率对于控制电压的线性关系，而,R5,的阻值由实验确定。,1.,简易函数发生器原理,积分电路,(,改善线性,),R5,的阻值由实验确定,(,可选,2-5K,可调电阻,),。,R5,增大了,A2,的输出阻抗,后面可加缓冲放大器进行补偿,.,但对于数千赫兹的,VCO,电路, R5,为,0,可不接缓冲放大器,.,1.,简易函数发生器原理,积分电路,(,改善线性,),照片是积分常数为,C0,2400pF,，,R0,10k,情况下，,R5,0,与,1.2k (,线性最佳时,R5,的阻值,),时频率特性,(,输入输出频率,),之比较。,R5=0,情况下频率到数百千赫时增益线性衰减率,(,这是积分器的频率响应,),为,6dB/oct,。,最高频率为,5kHz,以下时不需要这种超前补偿。,1.,简易函数发生器原理,积分电路参数选择,电阻,R0,与电容,C0,的值由,VCO,的最高频率,f,max,决定，先决定容易得到的电容的值，再反过来计算,R0,的阻值即可。控制电压,VC,设定为,+1V,，振荡频率约为,2kHz(,它为最高频率的,l/10),时振荡情况。,1.,简易函数发生器原理,积分电路参数选择,即开始积分器的补偿电阻,(VR),设为,0,，控制电压,VC,设定为,+1V,，振荡频率约为,2kHz(,它为最高频率的,l/10),时振荡情况。改变输入控制电压时，振荡频率也就跟着改变，若要频率准确一致，需要改变与固定电阻,R0,串联的半固定电阻,(,阻值为,R0,的,10,20,),的电路。,1.,简易函数发生器原理,积分电路参数选择,现施加,+10V,的控制电压，本来应是理想的,20kHz,频率进行振荡，但由于运算放大器的响应时间的延迟，振荡频率变为,20kHz,以下。该电路约以,16kHz,频率进行振荡。,调节与,C0,串联的补偿电阻,R5(VR),，设定的振荡频率正好为,VC=1V,时频率的,10,倍,(,要注意，,VR,阻值随电容,C0,的值不同而异,),。,1.,简易函数发生器原理,电压比较器电路,若电路按原样积分，不久输出电压就达到饱和并接近电源电压。在饱和之前，积分电压达到某基准电压,VR,时极性切换电路反转，积分输入电流方向也反转，进行这种工作的就是比较器。在,+VR,-VR,之间重复这种动作，由此持续进行三角波振荡。,比较器输出是与三角波同步的方波，但输出电压的振幅是由比较器输出的限幅电路特性决定的。,比较器输出的,ZD1,和,ZD2,稳压管可选,4.3V,左右的稳压管,.,简易函数发生器原理,电路原理图,2SK30A,TL082,TL082,TL082,函数发生器的测试,函数发生器元器件清单,1,、电阻：,1K(2,个,),1.5k(1,个,),10K(8,个,),20K(2,个,),100K(4,个,),200,（,6,个）,300,（,5,个）,5K(2,个,),51K,200K,各（,1,个）,2,、三极管：,2SK30A(2,个,),3,、二极管：,1N4148(11,个,),4,、运放及插座,8,脚,TL082,芯片（,2,个）,8,脚集成块插座,(2,个,),5,、电容：,2400P,（,1,个），,104,（,2,个）,6,、稳压管：,4.3V,（,2,个）,7,、电位器（,3,脚直插式）：,2K,（,2,个）,8,、其他：,排针,1,排、多孔板,1,张,杜邦线买,18,米。,K30A,焊接示例,1,焊接示例,2,测试示例,1,测试示例,2,Multisim,应用实例,Multisim,仿真,Multisim,仿真,折线法,若用运放产生与三角波同步的正弦波，可采用折线法实现，其基本原理如下：,运算放大器电路的输出与输入是按一次函数（比例）的变化关系进行的。如需其他函数的变换关系，则可按图所示的折线去近似。具有这种特性的电路称为折线电路。,折线法,折线法,1,级压缩电路的原理图,折线法,1,级伸长电路的原理图,折线法实现正弦波电路,仿真图,仿真结果,简易函数发生器,谢 谢 大 家,