毕业设计(论文)-函数信号发生器设计

3 基于晶体管与运放IC函数信号发生器设计

3.1 性能指标

输出波形 正弦波、方波、三角波。

频率范围 1Hz-10Hz，10Hz-100Hz，100Hz-1KHz,1KHz-10KHz，4个波段。 波形特性 表征正弦波特性的参数是非线性失真r~，要求r~<5%；表征三角波

特性的参数是非线性系数r，要求r<2%；表征方波特性的参数是上升时间tr，要求tr<30us。

3.2 参数计算

在电子电路设计中为保证单元电路达到功能指标要求，常需计算某些参数。在上面指出了函数信号发生器的一些性能指标，所以为了满足这些要求就要对元件的参数进行计算。本设计的参数计算如下：

比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下：

R2R3?RP1?VO2mVCC?412?13

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得

R4?RP2?R3?RP14R2C2f

当1Hz≤f≤10Hz时，取C2=10uF, R4=5.1K，RP2=100K。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=10K。同理，当100Hz≤f≤1KHz时，取C2=0.1uF（即104）；当1KHz≤f≤10KHz时，取C2=0.01uF（即103）。

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定，若含高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1uF。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

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及电阻R*来确定。

通过以上计算可以得到以下结论：电位器RP2在调整方波—三角波的输出频率时，一般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。

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。

在三角波→正弦波的变换电路中，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。

3.3 原理框图

函数信号发生器原理框图如图3-1所示：

图3-1 原理框图

本设计的基本思想是比较器与积分电路和反馈网络（含有电容元器件）组成振荡器，其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波，电容的充、放电时间决定了三角波的频率。最后利用差分放大器传输特性曲线的非线性特点将三角波转换成正弦波。

3.4 设计电路与工作原理

3.4.1 设计所用元器件

⑴ 对称性较好的双三极管3DG130四只，用于差分放大电路中。

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⑵ 单层七段分线器，用于频率的转换。

⑶ 变压器：输入电压220VAC，输出电压12VDC，额定工作电流600mA。 ⑷ 整流桥：最大工作电流5A由四只IN4007构成，用于电源变换模块。 ⑸ 7812、7912三端稳压管：用在电源变换模块中。 ⑹ 芯片uA747一片，以及若干电阻电容等。 3.4.2 电路及工作原理

函数信号发生器设计电路图如图3-2所示，电源电路如图3-3所示。

图3-2 函数信号发生器设计电路

图3-3 电源电路

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其工作原理如下：当电阻R2与芯片uA747的10脚断开时，其中的一个运算放大器与R1、R2、及R3，RP1组成电压比较器运算放大器的反相端即1脚接基准电压，同相端即2脚接输入电压，比较器的输出端即芯片uA747的12脚输出V01的高电平近似等于电源电压。同时，断开后，另外一个运放与R4，RP2，C2及R5组成反相积分器，输入的方波信号经反相积分器后，在其输出端即uA747的10脚输出一个上升速率与下降速率相等的三角波，而在这次设计中，电阻R2是与芯片uA747的10脚相连的，即比较器与积分器的首尾相连，形成闭环电路，这样就可以自动产生方波—三角波，并且可在10脚与12脚分别观测方波与三角波。从10脚输出三角波后，经过一个差分放大器，主要利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，即可输出正弦波，此差分放大器由四个对称性较好的3DG130作差分对管，与RB1，RB2，RC1，RC2，RP3，RP4及一些电容等共同构成，RP3调节三角波的幅度，RP4调整电路的对称性，一些并联电阻用来减小差分放大器的线性区，电容用来改善输出波形。除此之外，图 是电源电路，为整个电路提供±12V的电压，其工作原理是变压器经一个桥式电路（由四个IN4007构成）后，分为两路：一路去接正稳压管LM7812输出+12v电压，另一路去接负稳压管LM7912输出-12v电压，两部分电路是对称的。

3.5 相关芯片介绍

3.5.1 uA747双电源通用型双运放

uA747是一种高增益的双运算放大器，两个运放具有共同的偏置和负电源引线，正电源分别引线，工作时各自具有独立的功能。其特点为：无需外部频率补偿，具有短路保护，有很宽的差模和共模输入电压范围，功耗低，使用中不会出现阻塞现象，可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。同类或直接代替的型号有CF747MT、CF747CT、CF747MD、CF747CD、CF747MJ、CF747CJ、CF747CP、SG747等。

uA747引脚排列封装如图3-4所示。其各脚功能如下： ⑴ 脚1IN_为1单元反相输入端； ⑵ 脚1IN+为1单元同相输入端； ⑶ 脚1OA2为1单元调零端； ⑷ 脚V_为公共负电源端；

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⑸ 脚2OA2为2单元调零端； ⑹ 脚2IN_为2单元反相输入端； ⑺ 脚2IN+为2单元同相输入端； ⑻ 脚2OA1为2单元调零端； ⑼ 脚2V+为2单元正电源端； ⑽ 脚2OUT是2单元输出端； ⑾ 脚NC为空脚；

⑿ 脚1OUT是1单元输出端； ⒀ 脚1V+为1单元正电源端； ⒁ 脚1OA1为1单元调零端。

电源电压：uA747为±22V，CF747C为±18V。差模输入电压±30V；共模输入电压±15V；开环电压放大倍数2×105（一个单元，V0=±10V，RL≥2K；）功耗100mW；输入电阻2.0M；输出电阻75。

uA747的典型应用电路如图3-4所示。

图3-4 引脚封装图及典型电路

3.5.2 LM78XX与LM79XX

LM78XX称为正稳压器，正定值的三端稳压器如图3-5所示。当外加适当大小的散热片且整流器能提供足够的输入电流时，稳压器可提供1.5A的输出电流。若散热片散热不够，片子中的热开关电路能起过流保护作用。根据78XX系列中的XX不同，其输出稳压值不同，如7805可提供+5V的输出电压，7812可提供+12V输出电压。图中1

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