函數發生器課程設計

① 函數發生器的課程設計/(用verilog語言) 產生遞增斜波，遞減斜波，正弦波，方波，三角波，階梯

verilog 不行，一個只有1，0電平的語言是造不出波形的。你需要DA或者需要用verilog AMS

② 函數信號發生器課程設計

方案三：用單片集成函數發生器5G8038

可行性分析：
上面三種方案中，方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要認為地搭建波形變換的電路圖。而方案三採用集成晶元使得電路大大簡化，但是由於實驗室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因為它是犧牲了成本來換取的方便。其次是對方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運放和三極體等電器原件，方案二是用的二極體、電阻、三極體、運放等電器原件，所以從簡單而且便於購買的前提出發我們選擇方案一為我們最終的設計方案。
1.4參數的確定
1、 從電路的設計過程來看電路分為三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分
2、 正弦波部分
由於我們選取差分放大電路對三角波——正弦波
進行變換，首先要完成的工作是選定三極體，我
們現在選擇KSP2222A型的三極體，其靜態曲線圖
像如右圖所示。

根據KSP2222A的靜態特性曲線，選取靜態
工作區的中心

由直流通路有：
20 k

k

因為靜態工作點已經確定，所以靜態電流變成已知。根據KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：
可得

3、 方波部分與三角波部分參數的確定
根據性能指標可知

由 ,可見f與c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C為10 。10Hz~100Hz,C為1 。
則 =7.5k ~75k ，則 =5.1k
則 =2.4k 或者 =69.9 k
∴ 取100 k
∵
由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v，有
=
∴ =10k
則 ≈47 k ， =20 k
根據方波的上升時間為兩毫秒，查詢運算放大器的速度，可以選擇74141型號的運放。
由此可得調整電阻：

七、實務圖的焊接和調試
1、按照方案一的電路圖焊接好電路板。
2、調試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.
（1）頻率范圍:
為便於測量,將電路板上的方波信號接入示波器,並合上C1=10

③ 求基於EDA的函數信號發生器的課程設計

本設計採用FPGA和鎖相環4046實現波形發生器。系統由波形產生模塊和可調頻率的時鍾產生模塊，數模轉換模塊和顯示模塊四部分組成。波形產生模塊完成三種波形的產生，並根據控制信號完成選定波形的輸出。可調頻率的時鍾產生模塊能夠產生具有不同頻率的方波clk，用此方波作為時鍾完成輸出波形頻率的調整。顯示模塊用於顯示輸出波形的頻率。數模轉換模塊將波形產生模塊輸出的數字信號轉換為模擬信號；並完成濾波以及放大等功能。此設計的特點在於結合了直接數字頻率合成技術和鎖相技術各自的優點，同時利用了FPGA的強大處理能力使系統易於實現，結構簡單。本設計能產生正弦波，三角波，占空比可調的方波以及它們的線性組合；頻率在100Hz~20KHz之間能以100Hz為步進進行調整；幅度可調范圍為0~5V。

關鍵詞：正弦波；三角波；占空比可調的方波；頻率可調；FPGA；鎖相環4046

目 錄

引言………………………………………………………………………………………1
1 設計任務……………………………………………………………………………1
1.1 基本要求……………………………………………………………………………1
1.2 發揮部分……………………………………………………………………………1
2 方案論證與比較……………………………………………………………………1
2.1 常見信號源製作方法原理…………………………………………………………1
2.2 常見信號產生電路…………………………………………………………………3
3 系統電路的設計………………………………………………………………4
3.1 系統框圖及說明……………………………………………………………………4
3.2 主要電路設計說明…………………………………………………………………6
3.2.1晶體振盪電路………………………………………………………………………6
3.2.2倍頻電路……………………………………………………………………………6
3.2.3數模轉換和放大濾波電路…………………………………………………………7
3.2.4數碼管顯示電路……………………………………………………………………8
3.2.5 輸入去抖電路……………………………………………………………………9
3.3 主要軟體設計說明…………………………………………………………………10
3.3.1前端核心軟體設計………………………………………………………………10
3.3.2波形產生模塊軟體設計…………………………………………………………12
3.4 主要元器件介紹……………………………………………………………………15
3.4.1FPGA介紹…………………………………………………………………………15
3.4.2鎖相環4046介紹…………………………………………………………………16
3.4.3VHDL介紹…………………………………………………………………………19
3.4.4MAX+PLUSII介紹…………………………………………………………………20
4軟體模擬與硬體調試與測試 ……………………………………………………20 4.1 軟體部分模擬……………………………………………………………………20
4.2 硬體調試……………………………………………………………………………22
4.3 硬體電路測試………………………………………………………………………22
4.4 誤差分析……………………………………………………………………………23
5 工程設計……………………………………………………………………………23
6 製作…………………………………………………………………………………24
7 結論…………………………………………………………………………………25
謝辭………………………………………………………………………………………26
參考文獻…………………………………………………………………………………27
附錄………………………………………………………………………………………28

④ 用單片機設計一個函數發生器的思路

波形發生器是一種常用的信號源，廣泛地應用於電子電路、自動控制系統和教學實驗等領域。本次課程設計使用的AT89S51 單片機構成的發生器可產生鋸齒波、三角波、正弦波等多種波形，波形的周期可以用程序改變，並可根據需要選擇單極性輸出或雙極性輸出，具有線路簡單、結構緊湊等優點。在本設計的基礎上，加上按鈕控制和LED顯示器，則可通過按鈕設定所需要的波形頻率，並在LED上顯示頻率、幅值電壓，波形可用示波器顯示。

二、系統設計

波形發生器原理方框圖如下所示。波形的產生是通過AT89S51 執行某一波形發生程序，向D/A轉換器的輸入端按一定的規律發生數據，從而在D/A轉換電路的輸出端得到相應的電壓波形。在AT89S51的P2口接5個按扭,通過軟體編程來選擇各種波形、幅值電壓和頻率，另有3個P2口管腳接TEC6122晶元，以驅動數碼管顯示電壓幅值和頻率，每種波形對應一個按鈕。此方案的有點是電路原理比較簡單，實現起來比較容易。缺點是，采樣頻率由單片機內部產生故使整個系統的頻率降低。

1、波形發生器技術指標

1）波形：方波、正弦波、鋸齒波；

2）幅值電壓：1V、2V、3V、4V、5V；

3）頻率：10HZ、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ；

2、操作設計

1）上電後，系統初始化，數碼顯示6個『－』，等待輸入設置命令。

2）按鈕分別控制「幅值」、「頻率」、「方波」、「正弦波」、「鋸齒波」。

3）「幅值「鍵初始值是1V，隨後再次按下依次增長1V，到達5V後在按就回到1V。

4）「頻率「鍵初始值是10HZ，隨後在按下依次為20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1000HZ循環。

三、硬體設計

本系統由單片機、顯示介面電路，波形轉換（D/A）電路和電源等四部分構成。電路圖2附在後

1、單片機電路

功能：形成掃描碼，鍵值識別、鍵處理、參數設置；形成顯示段碼；產生定時中斷；形成波形的數字編碼，並輸出到D/A介面電路和顯示驅動電路。

AT89S51外接12M晶振作為時鍾頻率。並採用電源復位設計。復位電路採用上電復位，它的工作原理是，通電時，電容兩端相當於短路，於是RST引腳上為高電平，然後電源通過對電容充電。RST端電壓慢慢下降，降到一定程序，即為低電平，單片機開始工作。

AT89S51的P2口作為功能按鈕和TEC6122的介面。P1口做為D/A轉換晶元0832的介面。用定時/計數器作為中斷源。不同的頻率值對應不同的定時初值，允許定時器溢出中斷。定時器中斷的特殊功能寄存器設置如下：

定時控制寄存器TCON＝20H；

工作方式選擇寄存器TMOD=01H；

中斷允許控制寄存器IE=82H。

2、顯示電路

功能：驅動6位數碼管顯示，掃描按鈕。

由集成驅動晶元TEC6122、6位共陰極數碼管和5個按鈕組成。當某一按鈕按下時，掃描程序掃描到之後，通過P2口將數字信號發送到 TEC6122晶元。TEC6122是一款數字集成晶元。它的外接電壓也是+5V，並且由於數碼管的載壓較小，為了保護數碼管，必須在兩者間接電阻，大約是560歐。

掃描利用軟體程序實現，當某一按鍵按下時，掃描程序立即檢測到，隨後調用子程序，執行相應的功能。

3、D/A電路

功能：將波形樣值的編碼轉換成模擬值，完成雙極性的波形輸出。

由一片0832和兩塊LM358運放組成。DAC0832是一個具有兩個輸入數據寄存器的8位DAC。目前生產的DAC晶元分為兩類，一類晶元內部設置有數據寄存器，不需要外加電路就可以直接與微型計算機介面。另一類晶元內部沒有數據寄存器，輸出信號隨數據輸入線的狀態變化而變化，因此不能直接與微型計算機介面，必須通過並行介面與微型計算機介面。DAC0832是具有20條引線的雙列直插式CMOS器件，它內部具有兩級數據寄存器，完成8位電流D/A轉換，故不需要外加電路。0832是電流輸出型，示波器上顯示波形，通常需要電壓信號，電流信號到電壓信號的轉換可以由運算放大器LM358實現，用兩片LM358可以實現雙極性輸出。

單片機向0832發送數字編碼，產生不同的輸出。先利用采樣定理對各波形進行抽樣，然後把各采樣值進行編碼，的到的數字量存入各個波形表，執行程序時通過查表方法依次取出，經過D/A轉換後輸出就可以得到波形。假如N個點構成波形的一個周期，則0832輸出N個樣值點後，樣值點形成運動軌跡，即一個周期。重復輸出N個點，成為第二個周期。利用單片機的晶振控制輸出周期的速度，也就是控制了輸出的波形的頻率。這樣就控制了輸出的波形及其幅值和頻率。

四、 軟體設計

主程序和子程序都存放在AT89S51單片機中。

主程序的功能是：開機以後負責查鍵，即做鍵盤掃描及顯示工作，然後根據用戶所按的鍵轉到相應的子程序進行處理，主程序框圖如圖1所示。

子程序的功能有：幅值輸入處理、頻率輸入處理、正弦波輸出、鋸齒波輸出、方波輸出、顯示等。

下面是程序

include <reg51.h>

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

sbit LCP=P2^2;

sbit SCP=P2^1;

sbit SI=P2^0;

sbit S1=P2^3;

sbit S2=P2^4;

sbit S3=P2^5;

sbit S4=P2^6;

sbit S5=P2^7;

sbit DA0832=P3^3;

sbit DA0832_ON=P3^2;

uchar fun=0,b=0,c=0,d=0,tl,th;

uchar code tab[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};

uchar code tosin[256]={0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5

,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5

,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd

,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda

,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99

,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51

,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16

,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00

,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02 ,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15

,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e

,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66 ,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80 };

void display(unsigned char command)

{

unsigned char i;

LCP=0;

for(i=8;i>0;i--)

{

SCP=0;

if((command & 0x80)==0)

{

SI=0;

}

else

{

SI=1;

}

command<<=1;

SCP=1;

}

LCP=1;

}

void key1(void)

{

fun++;

if(fun==4)

fun=0x00;

}

void key2(void)

{

tl++;

if(tl==0x1f)

th++;

}

void key3(void)

{

tl--;

if(tl==0x00)

th--;

}

void key4(void)

{

double t;

int f;

TR0=0;

t=(65535-th*256-tl)*0.4;

f=(int)(1000/t);

S3=tab[f%10];

f=f/10;

S2=tab[f%10];

f=f/10;

if(f==0)

S1=0;

else

S1=tab[f];

TR0=1;

}

void key5(void)

{

tl--;

if(tl==0x00)

th++;

}

void judge(void)

{

uchar line,row,de1,de2,keym;

P1=0x0f;

keym=P1;

if(keym==0x0f)return;

for(de1=0;de1<200;de1++)

for(de2=0;de2<125;de2++){;}

P1=0x0f;

keym=P1;

if(keym==0x0f)return;

P1=0x0f;

line=P1;

P1=0xf0;

row=P1;

line=line+row; /*存放特徵鍵值*/

if(line==0xde)key1();

if(line==0x7e)key2();

if(line==0xbd)key3();

if(line==0x7d)key4();

}

void time0_int(void) interrupt 1 //中斷服務程序

{

TR0=0;

if(fun==1)

{

DA0832=tosin[b]; //正弦波

b++;

}

else if(fun==2) //鋸齒波

{

if(c<128)

DA0832=c;

else

DA0832=255-c;

c++;

}

else if(fun==3) // 方波

{

d++;

if(d<=128)

DA0832=0x00;

else

DA0832=0xff;

}

TH0=th;

TL0=tl;

TR0=1;

}

void main(void)

{

TMOD=0X01;

TR0=1;

th=0xff;

tl=0xd0;

TH0=th;

TL0=tl;

ET0=1;

EA=1;

while(1)

{

display();

judge();

}

}

五、心得體會

開始的時候由於沒有經驗，不知如何下手，所以就去圖書管找了一些書看，盡管有許多的設計方案，可是總感覺自己還是有許多的東西弄不太清楚，於是就請教同學。他常做一些設計，有一些經驗。經過他的解釋分析各方案之後，決定用查表的方法來做。這樣可以降低一些硬體設計的難度，初次設計應切合自己的水平。用8031需要擴展ROM，這樣還要進行存儲器擴展。而且現在8031實際中已經基本上不再使用，實際用的AT89S51晶元有ROM，這樣把經過采樣得到的數值製成表，利用查表來做就簡單了。我認為程序應該不大，片內ROM應該夠用的。用LED顯示頻率和幅值，現有集成的介面驅動晶元，波形可通過示波器進行顯示，單片機接上D/A轉換晶元即可，這樣硬體很快就搭好了。

我以為這些做好了，構思也有了，寫程序應該是相對容易的。誰知道，寫起程序來，才想到功能鍵要有掃描程序才行呀，我真的感到很難。那時真的有點想放棄？於是就去請教了老師，老師幫忙分析了一下，自己又查閱了一些資料，終於明白了掃描程序怎麼寫。

於是在自己的努力下，程序很快就寫好了。這次是我的第一個設計器件，盡管經歷了不少的艱辛，但給我積累了一點設計的經驗，最後也有點小小的成就感。後面的路還很長，我還的努力！

參考文獻

[1] 童詩白，華成英.模擬電子技術基礎〔M〕.北京:高等教育出版社，2003.345-362

[2] 潘永雄，沙河，劉向陽.電子線路CAD實用教程〔M〕.西安：西安電子科技大學出版社，2001.13-118.

[3] 張毅剛，彭喜源，譚曉昀，曲春波.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈

爾濱工業大學出版社，1997.53-61.

⑤ 模擬電子課程設計（正弦波發生器）

1 集成函數發生器ICL8038電路結構〔1〕

函數發生器ICL8038的電路結構如圖虛線框內所示，共有5個組成部分。2個電流源的電流分別為IS1和IS2，且IS1＝I，IS2＝2I；2個電壓比較器Ⅰ和Ⅱ的閾值電壓分別為1／3 VCC和1／3 VEE，他們的輸入電壓等於電容兩端的電壓uc，輸出電壓分別控制RS觸發器的S端和端；RS觸發器的輸出端Q和用來控制電子開關S，實現對電容C的充放電；2個緩沖放大器用於隔離波形發生電路和負載，使三角波和矩形波輸出端的輸出電阻足夠小，以增強帶負載能力；三角波變正弦波電路用於獲得正弦波信號。

2 工作原理

當給函數發生器ICL8038接通電源時，電容C的電壓為0 V，電壓比較器Ⅰ和Ⅱ的輸出電壓均為低電平；因而RS觸發器的輸出Q為低電平，為高電平；使電子開關S斷開，電流源IS1對電容充電，充電電流時間的增長而線性上升。uc的上升使RS觸發器的R端從低電平躍變為高電平，但其輸出不變，一直到uc上升到1／3 VCC時，電壓比較器Ⅰ的輸出電壓躍變為高電平，Q才變為高電平（同時變為低電平），導致電子開關S閉合，電容C開始放電，放電電流為IS2－IS1＝I，因放電電流是恆流，所以，電容上電壓uc隨時間的增長而線性下降。起初，uc的下降雖然使RS觸發器的S端從高電平躍變為低電平，但其輸出不變。一直到uc下降到1／3 VEE，使電壓比較器Ⅱ的輸出電壓躍變為低電平，Q才變為低電平（同時為高電平），使得電子開關S斷開，電容C又開始充電。重復上述過程，周而復始，電路產生了自激振盪。由於充電電流與放電電流數值相等，因而電容上電壓為對稱三角波形,和Q）為方波，經緩沖放大器輸出。三角波電壓通過三角波變正弦波電路輸出正弦波電壓。通過以上分析可知，改變電容充電放電電流即改變RA，RB的數值，或改變電容C的數值，就改變了充放電時間，因此可改變其頻率。

ICL8038是性能優良的集成函數發生器。可用單電源供電，也可雙電源供電，他們的值為±5～±15 V，我們取±15 V，頻率的可調范圍為1～600 kHz，輸出矩形波的占空比可調范圍為2％～98％。

圖2所示為ICL8038的引腳功能圖，其中引腳8為頻率調節（簡稱調頻）電壓輸入端，電路的振盪頻率與調頻電壓成正比，調頻電壓值是指電源VCC（引腳6）與引腳8之間的電壓值，其變化范圍不應超過1／3（VCC＋VEE），即引腳8的輸入電壓范圍應在＋5～＋15 V之間。引腳7輸出調頻偏置電壓，其絕對值是電源＋VCC與引腳7之差，一般其絕對值是1／5（VCC＋VEE），也就是說7腳電壓應比電源電壓低1／5（VCC＋VEE），如果VCC＝VEE＝15 V，7腳電壓應取9 V，可見7腳電壓也可作為引腳8的輸入電壓。

圖3所示為ICL8038最常見的接法，矩形波輸出端為集電極開路形式，需外接電阻RL＝10 kHz至＋VCC。圖中RA和RB可分別獨立調整，通過改變RA和RB的數值可改變矩形波的占空比，當RA＝RB時矩形波的占空比為50％，因而為方波。當RA≠RB時，矩形波不再是方波，引腳2輸出也就不再是正弦波。

⑥ 模電課程設計函數信號發生器

一般是先產生一種波形。在經過各種電路變換成其他波形！從學校圖書館里可以很容易的找到相關資料！這種課設還是自己動手做做比較好，會有一定收獲的！

⑦ 函數發生器基本原理

課程設計報告

西南大學計算機與信息科學學院

函數發生器的設計

摘要

函數信號發生器是一種能能夠產生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數信號發生器。函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。現在我們通過對函數信號發生器的原理以及構成設計一個能變換出三角波、正弦波、方波的簡易發生器。我們通過對電路的分析，參數的確定選擇出一種最適合本課題的方案。在達到課題要求的前提下保證最經濟、最方便、最優化的設計策略。按照設計的方案選擇具體的原件，焊接出具體的實物圖，並在實驗室對焊接好的實物圖進行調試，觀察效果並與課題要求的性能指標作對比。最後分析出現誤差的原因以及影響因素。

關鍵字：方案確定、參數計算、調試、誤差分析。

1.1問題的提出
設計一個函數發生器使得能夠產生發波、三角波、正弦波。
1、 主要技術指標
頻率范圍 10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz

頻率控制方式 通過改變RC時間常數手控信號頻率
通過改變控制電壓Uc實現壓控頻率VCF

輸出電壓 正弦波Upp≈3 V 幅度連續可調;
三角波Upp≈5 V 幅度連續可調;
方波Upp≈14 V 幅度連續可調.

波形特性 方波上升時間小於2s；
三角波非線性失真小於1%；
正弦波諧波失真小於3%。
2、 設計要求
（1） 根據技術指標要求及實驗室條件自選方案設計出原理電路圖，分析工作原理，計算元件參數。
（2） 列出所有元、器件清單報實驗室備件。
（3） 安裝調試所設計的電路，使之達到設計要求。
（4） 記錄實驗結果。

1.2基本原理
1、 函數發生器的組成
函數發生器一般是指能自動產生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以採用由運放及分離元件構成；也可以採用單片集成函數發生器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，本課題介紹方波、三角波、正弦波函數發生器的方法。

1.3提出解決問題的方案及選取
1、三角波變換成正弦波
由運算放大器單路及分立元件構成，方波——三角波——正弦波函數發生器電路組成如圖1所示，由於技術難點在三角波到正弦波的變換，故以下將詳細介紹三角波到正弦波的變換。

圖1
（1） 利用差分放大電路實現三角波——正弦波的變換
波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖2所示。由圖可以看出，傳輸特性曲線越對稱，線性區域越窄越好;三角波的幅度Uim應正好使晶體接近飽和區域或者截至區域。
㎝
圖2
方案一：用差分放大電路實現三角波到正弦波以及集成運放組成的電路實現函數發生器

（2） 用二極體折線近似電路實現三角波——正弦波的變換

二極體折線近似電路 圖3
根據二極體折線近似電路實現三角波——正弦波的變換的原理圖，可得其輸入、輸出特性曲線如入3所示。
頻率調節部分設計時，可先按三個頻率段給定三個電容值：1000pF、0.01Μf、0.1μF然後再計算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對方波前後沿時間的要求，以及正弦波最高工作頻率（10kHz）的要求，在積分器、比較器、正弦波轉換器和輸出級中應選用Sr值較大的運放（如LF353）。為保證正弦波有較小的失真度，應正確計算二極體網路的電阻參數，並注意調節輸出三角波的幅度和對稱度。輸入波形中不能含有直流成分。

方案二：用二極體折線近似電路以及集成運放組成的電路實現函數發生器
（3）圖是由μA741和5G8038組成的精密壓控震盪器，當8腳與一連續可調的直流電壓相連時，輸出頻率亦連續可調。當此電壓為最小值（近似為0）時。輸出頻率最低，當電壓為最大值時，輸出頻率最高；5G8038控制電壓有效作用范圍是0—3V。由於5G8038本身的線性度僅在掃描頻率范圍10：1時為0.2%，更大范圍（如1000：1）時線性度隨之變壞，所以控制電壓經μA741後再送入5G8038的8腳，這樣會有效地改善壓控線性度（優於1%）。若4、5腳的外接電阻相等且為R，此時輸出頻率可由下式決定：
f=0.3/RC4
設函數發生器最高工作頻率為2kHz，定時電容C4可由上式求得。
電路中RP3是用來調整高頻端波形的對稱性，而RP2是用來調整低頻端波形的對稱性，調整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。穩壓管VDz是為了避免8腳上的負壓過大而使5G8038工作失常設置的。

方案三：用單片集成函數發生器5G8038

可行性分析：
上面三種方案中，方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要認為地搭建波形變換的電路圖。而方案三採用集成晶元使得電路大大簡化，但是由於實驗室條件和成本的限制，我們首先拋棄的是第三種方案，因為它是犧牲了成本來換取的方便。其次是對方案一與方案二的比較，方案一中用的是電容和電阻運放和三極體等電器原件，方案二是用的二極體、電阻、三極體、運放等電器原件，所以從簡單而且便於購買的前提出發我們選擇方案一為我們最終的設計方案。
1.4參數的確定
1、 從電路的設計過程來看電路分為三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分
2、 正弦波部分
由於我們選取差分放大電路對三角波——正弦波
進行變換，首先要完成的工作是選定三極體，我
們現在選擇KSP2222A型的三極體，其靜態曲線圖
像如右圖所示。

根據KSP2222A的靜態特性曲線，選取靜態
工作區的中心

由直流通路有：
20 k

k

因為靜態工作點已經確定，所以靜態電流變成已知。根據KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大小：
可得

3、 方波部分與三角波部分參數的確定
根據性能指標可知

由 ,可見f與c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C為10 。10Hz~100Hz,C為1 。
則 =7.5k ~75k ，則 =5.1k
則 =2.4k 或者 =69.9 k
∴ 取100 k
∵
由輸出的三角形幅值與輸出方波的幅值分別為5v和14v，有
=
∴ =10k
則 ≈47 k ， =20 k
根據方波的上升時間為兩毫秒，查詢運算放大器的速度，可以選擇74141型號的運放。
由此可得調整電阻：

七、實務圖的焊接和調試
1、按照方案一的電路圖焊接好電路板。
2、調試前，將電路板接入±12伏電壓，地線與電源處公共地線連接.
（1）頻率范圍:
為便於測量,將電路板上的方波信號接入示波器,並合上C1=10µF的開關，斷開C2=1uF的開關,然後調節RP2,並測出此時方波信號頻率的變化范圍;
斷開C1的開關,合上C2的開關,按照同樣的方法調節RP2並記錄方波信號頻率的變化范圍,結果如下:

電容 頻率
10µF 1Hz～30Hz
1uF 27.47～316Hz

以上頻率並未完全到達要求的指標范圍，經分析，原因在於：

通過對比，發現頻率范圍整體下移，這里可能存在兩個原因，第一是反饋通道上的 存在磨損，使電阻值達不到計算的數值。第二是三角波運放上的反向端的電阻 也存在 一樣的問題。

（2）輸出電壓：
① 方波：
電路板上方波信號接入示波器，調節RP1,測得方波峰峰Vpp=14V，可見所得值與性能指標中的一致。
② 三角波：
撤除方波信號並接入三角波信號，調節RP1, 測得三角波峰峰值Upp=5V也能達到課題的要求。

③ 正弦波：
將正弦波信號接入示波器，調節RP3和RP4,測得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到達課題要求。

3、波形特性測定:
① 方波上升時間:
將電路板上的方波信號接入示波器,,調節示波器上周期調節旋鈕,直到能清楚觀測到方波信號上升沿處的躍變,測得方波上升時間為:
tr=6.4µs
分析：上升時間達不到要求，這個可以用換運放類型來解決。通過改變運放的速度來改變其上升時間。
① 三角波非線形失真:
撤除方波信號,將電路板上三角波信號接入示波器通道1,測得此時的三角波信號參數如下:
頻率: f=98.42Hz
峰峰值: Upp=5V
此時將實驗台上函數發生器產生的三角波作為標准信號接入示波器的通道2,並調節其頻率及峰峰值,使之與要測試的三角波信號參數一致(f=98.42Hz,Upp=5V).
在示波器上的雙蹤模式下比較,發現兩通道的三角波完全重合,說明無非線形失真.
② 正弦波嚴重失真:
分析：由於調節平衡的滑動變阻器的一隻引腳壞掉了，我自己拿一根導線將其接好，所以導致電路的不對成性，使得靜態工作點偏離原定的位置，故導致此結果。

1.5心得體會
通過對函數信號發生器的設計，我深刻認識到了「理論聯系實際」的這句話的重要性與真實性。而且通過對此課程的設計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中理解了書本上的知識，明白了學以致用的真諦。也明白老師為什麼要求我們做好這個課程設計的原因。他是為了教會我們如何運用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。在整個設計到電路的焊接以及調試過程中，我個人感覺調試部分是最難的，因為你理論計算的值在實際當中並不一定是最佳參數，我們必須通過觀察效果來改變參數的數值以期達到最好。而參數的調試是一個經驗的積累過程，沒有經驗是不可能在短時間內將其完成的，而這個可能也是老師要求我們加以提高的一個重要方面吧！

⑧ 函數波形發生器課程設計

函數波形發生器設計
摘 要
函數信號發生器是一種能夠產生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數波形發生器的原理以及構成分析，可設計一個能變換出三角波、正弦波、方波的函數波形發生器。
本課題採用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數發生器的設計方法，先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最後通過差分放大器形成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。
經過模擬得出了方波、三角波、正弦波、方波——三角波轉換及三角波——正弦波轉換的波形圖。
關鍵字：函數信號發生器、集成運算放大器、晶體管差分放
設計目的、意義
1 設計目的
（1）掌握方波—三角波——正弦波函數發生器的原理及設計方法。
（2）掌握遲滯型比較器的特性參數的計算。
（3）了解單片集成函數發生器8038的工作原理及應用。
（4）能夠使用電路模擬軟體進行電路調試。
2 設計意義
函數發生器作為一種常用的信號源,是現代測試領域內應用最為廣泛的通用儀器之一。
在研製、生產、測試和維修各種電子元件、部件以及整機設備時，都學要有信號源，由它產生不同頻率不同波形的電壓、電流信號並加到被測器件或設備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應，以分析確定它們的性能參數。信號發生器是電子測量領域中最基本、應用最廣泛的一類電子儀器。它可以產生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用於通信、雷達、導航、宇航等領域。
設計內容
1 課程設計的內容與要求（包括原始數據、技術參數、條件、設計要求等）：
1.1課程設計的內容
（1）該發生器能自動產生正弦波、三角波、方波。
（2）函數發生器以集成運放和晶體管為核心進行設計
（3）指標：
輸出波形：正弦波、三角波、方波
頻率范圍：1Hz~10Hz，10Hz~100Hz
輸出電壓：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P＞1V；
（4）對單片集成函數發生器8038應用接線進行設計。
1.2課程設計的要求
（1）提出具體方案
（2）給出所設計電路的原理圖。
（3）進行電路模擬，PCB設計。
2 函數波形發生器原理
2.1函數波形發生器原理框圖

圖2.1 函數發生器組成框圖
2.2函數波形發生器的總方案
函數發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數發生器S101全部採用晶體管)，也可以採用集成電路(如單片函數發生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題採用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數發生器的設計方法。
產生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產生正弦波，然後通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產生三角波—方波，再將三角波變成正弦波或將方波變成正弦波等等。本課題採用先產生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設計方法[3]。
由比較器和積分器組成方波—三角波產生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。
2.3函數波形發生器各組成部分的工作原理
2.3.1方波發生電路的工作原理
此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC迴路既作為延遲環節，又作為反饋網路，通過RC充、放電實現輸出狀態的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+Ut。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖2.3中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨於無窮時，Un趨於+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變為-Uz,與此同時Up從+Ut躍變為-Ut。隨後，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨於無窮大時，Un趨於-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變為+Uz，Up從-Ut躍變為+Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振盪[4]。
2.3.2方波——三角波轉換電路的工作原理
圖2.2方波—三角波產生電路
工作原理如下：
若a點斷開，整個電路呈開環狀態。運算發大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等於正電源電壓+Vcc，低電平等於負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。設Uo1=+ Vcc,則
(2.1)
將上式整理，得比較器翻轉的下門限單位Uia_為
(2.2)
若Uo1=-Vee,則比較器翻轉的上門限電位Uia+為
(2.3)
比較器的門限寬度：
(2.4)
由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖2.3所示。
a點斷開後，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為：
(2.5)
時，
(2.6)
時，
(2.7)
可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系如圖2.4所示。
a點閉合，即比較器與積分器形成閉環電路，則自動產生方波-三角波。三角波的幅度為：
(2.8)
方波-三角波的頻率f為：
(2.9)
由以上兩式(2.8)及(2.9)可以得到以下結論：
(1) 電位器RP2在調整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現頻率微調。
(2) 方波的輸出幅度應等於電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。
電位器RP1可實現幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率[3]。

圖2.3比較器的電壓傳輸特性

圖2.4方波與三角波波形關系

2.3.3三角波---正弦波轉換電路的工作原理
如圖2.5三角波——正弦波的變換電路主要由差分放大電路來完成。
差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優點。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性[1]。

圖2.5 三角波——正弦波的變換電路
分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：
(2.10)
(2.11)
式中
——差分放大器的恆定電流；
——溫度的電壓當量，當室溫為25oc時， ≈26mV。
如果Uid為三角波，設表達式為
(2.12)
式中 Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期。
為使輸出波形更接近正弦波，由圖2.6可見：
（1）傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好。
（2）三角波的幅度Um應正好使晶體管接近飽和區或截止區。
（3）圖2.7為實現三角波——正弦波變換的電路。其中RP1調節三角波的幅度，RP2調整電路的對稱性，其並聯電阻RE2用來減小差分放大器的線性區。電容C1,C2,C3為隔直電容，C4為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形[2]。

圖2.6三角波—正弦波變換原理
圖2.7三角波—正弦波變換電路

2.4電路的參數選擇及計算
2.4.1方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）
實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，後來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現。
2.4.2三角波—正弦波部分的計算
比較器A1與積分器A2的元件計算如下：
由式（2.8）得
即
取 ，則 ，取 ，RP1為47KΩ的點位器。取平衡電阻
由式（2.9）
即
當 時，取 ，則 ，取 ，為100KΩ電位器。當 時 ，取 以實現頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻 。
三角波—正弦波變換電路的參數選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取 ，濾波電容 視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多， 可取得較小， 一般為幾十皮法至0.1微法。RE2=100歐與RP4=100歐姆相並聯，以減小差分放大器的線性區。差分放大器的靜態工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調整RP4及電阻R*確定。
2.5 總電路圖
先通過比較器產生方波，再通過積分器產生三角波，最後通過差分放大器形成正弦波。如圖2.5.1所示，

圖2.5.1三角波-方波-正弦波函數發生器實驗電路

2.6 8038單片集成函數發生器
2.6.1 8038的工作原理
8038由恆流源I1、I2，電壓比較器C1、C2和觸發器①等組成。其內部原理電路框圖和外部引腳排列分別如圖2.8和圖2.9所示。

圖2.8 8038原理框圖

圖2.9 8038管腳圖（頂視圖）
1. 正弦波線性調節；2. 正弦波輸出；3. 三角波輸出；4. 恆流源調節；5. 恆流源調節；6. 正電源；7. 調頻偏置電壓；8. 調頻控制輸入端；9. 方波輸出（集電極開路輸出）； 10. 外接電容；11. 負電源或接地；12.正弦波線性調節；13、14. 空腳
在圖2.8中，電壓比較器C1、C2的門限電壓分別為2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），電流源I1和I2的大小可通過外接電阻調節，且I2必須大於I1。當觸發器的Q端輸出為低電平時，它控制開關S使電流源I2斷開。而電流源I1則向外接電容C充電，使電容兩端電壓vC隨時間線性上升，當vC上升到vC=2VR/3 時，比較器C1輸出發生跳變，使觸發器輸出Q端由低電平變為高電平，控制開關S使電流源I2接通。由於I2>I1 ，因此電容C放電，vC隨時間線性下降。當vC下降到vC≤VR/3 時，比較器C2輸出發生跳變，使觸發器輸出端Q又由高電平變為低電平，I2再次斷開，I1再次向C充電，vC又隨時間線性上升。如此周而復始，產生振盪。若I2=2I1 ，vC上升時間與下降時間相等，就產生三角波輸出到腳3。而觸發器輸出的方波，經緩沖器輸出到腳9。三角波經正弦波變換器變成正弦波後由腳2輸出。當I1<I2<2I1 時，vC的上升時間與下降時間不相等，管腳3輸出鋸齒波。因此，8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波等四種不同的波形。
圖2.8中的觸發器，當R端為高電平、S端為低電平時，Q端輸出低電平；反之，則Q端為高電平。
2.6.2 8038構成函數波形發生器
由圖2.9可見，管腳8為調頻電壓控制輸入端，管腳7輸出調頻偏置電壓，其值（指管腳6與7之間的電壓）是(VCC+VEE/5) ，它可作為管腳8的輸入電壓。此外，該器件的方波輸出端為集電極開路形式，一般需在正電源與9腳之間外接一電阻，其值常選用10k左右，如圖2.10所示。當電位器Rp1動端在中間位置，並且圖中管腳8與7短接時，管腳9、3和2的輸出分別為方波、三角波和正弦波。電路的振盪頻率f約為0.3/[C(R1+RP1/2)] 。調節RP1、RP2可使正弦波的失真達到較理想的程度。
在圖2.10中，當RP1動端在中間位置，斷開管腳8與7之間的連線，若在+VCC與-VEE之間接一電位器，使其動端與8腳相連，改變正電源+VCC與管腳8之間的控制電壓（即調頻電壓），則振盪頻率隨之變化，因此該電路是一個頻率可調的函數發生器。如果控制電壓按一定規律變化，則可構成掃頻式函數發生器。

圖2.10 8038接成波形產生器阿
3電路模擬
3.1電路模擬
3.1.1方波——三角波發生電路的模擬

圖3.1 方波

圖3.2 三角波

圖3.3 方波——三角波
3.1.2三角波---正弦波轉換電路的模擬

圖3.4 三角波——正弦波

參考文獻
[1]王 遠．模擬電子技術(第二版)[M]．北京：機械工業出版社，2000
[2]謝自美．電子線路設計實驗測試(第二版)[M]．武昌：華中科技大學出版社，2000
[3]路 勇．電子電路實驗及模擬[M]．清華大學出版社，2003
[4]胡宴如．模擬電子技術[M]．北京：高等教育出版社，2000
[5]周躍慶．模擬電子技術基礎教程[M]．天津大學出版社， 2001
[6]曾建唐．電工電子實踐教程[M]．北京：機械工業出版社，2002