函数发生器课程设计

① 函数发生器的课程设计/(用verilog语言) 产生递增斜波，递减斜波，正弦波，方波，三角波，阶梯

verilog 不行，一个只有1，0电平的语言是造不出波形的。你需要DA或者需要用verilog AMS

② 函数信号发生器课程设计

方案三：用单片集成函数发生器5G8038

可行性分析：
上面三种方案中，方案一与方案二中三角波——正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共通的地方就是都要认为地搭建波形变换的电路图。而方案三采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，我们首先抛弃的是第三种方案，因为它是牺牲了成本来换取的方便。其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件，所以从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案一为我们最终的设计方案。
1.4参数的确定
1、 从电路的设计过程来看电路分为三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分
2、 正弦波部分
由于我们选取差分放大电路对三角波——正弦波
进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我
们现在选择KSP2222A型的三极管，其静态曲线图
像如右图所示。

根据KSP2222A的静态特性曲线，选取静态
工作区的中心

由直流通路有：
20 k

k

因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：
可得

3、 方波部分与三角波部分参数的确定
根据性能指标可知

由 ,可见f与c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C为10 。10Hz~100Hz,C为1 。
则 =7.5k ~75k ，则 =5.1k
则 =2.4k 或者 =69.9 k
∴ 取100 k
∵
由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为5v和14v，有
=
∴ =10k
则 ≈47 k ， =20 k
根据方波的上升时间为两毫秒，查询运算放大器的速度，可以选择74141型号的运放。
由此可得调整电阻：

七、实务图的焊接和调试
1、按照方案一的电路图焊接好电路板。
2、调试前，将电路板接入±12伏电压，地线与电源处公共地线连接.
（1）频率范围:
为便于测量,将电路板上的方波信号接入示波器,并合上C1=10

③ 求基于EDA的函数信号发生器的课程设计

本设计采用FPGA和锁相环4046实现波形发生器。系统由波形产生模块和可调频率的时钟产生模块，数模转换模块和显示模块四部分组成。波形产生模块完成三种波形的产生，并根据控制信号完成选定波形的输出。可调频率的时钟产生模块能够产生具有不同频率的方波clk，用此方波作为时钟完成输出波形频率的调整。显示模块用于显示输出波形的频率。数模转换模块将波形产生模块输出的数字信号转换为模拟信号；并完成滤波以及放大等功能。此设计的特点在于结合了直接数字频率合成技术和锁相技术各自的优点，同时利用了FPGA的强大处理能力使系统易于实现，结构简单。本设计能产生正弦波，三角波，占空比可调的方波以及它们的线性组合；频率在100Hz~20KHz之间能以100Hz为步进进行调整；幅度可调范围为0~5V。

关键词：正弦波；三角波；占空比可调的方波；频率可调；FPGA；锁相环4046

目 录

引言………………………………………………………………………………………1
1 设计任务……………………………………………………………………………1
1.1 基本要求……………………………………………………………………………1
1.2 发挥部分……………………………………………………………………………1
2 方案论证与比较……………………………………………………………………1
2.1 常见信号源制作方法原理…………………………………………………………1
2.2 常见信号产生电路…………………………………………………………………3
3 系统电路的设计………………………………………………………………4
3.1 系统框图及说明……………………………………………………………………4
3.2 主要电路设计说明…………………………………………………………………6
3.2.1晶体振荡电路………………………………………………………………………6
3.2.2倍频电路……………………………………………………………………………6
3.2.3数模转换和放大滤波电路…………………………………………………………7
3.2.4数码管显示电路……………………………………………………………………8
3.2.5 输入去抖电路……………………………………………………………………9
3.3 主要软件设计说明…………………………………………………………………10
3.3.1前端核心软件设计………………………………………………………………10
3.3.2波形产生模块软件设计…………………………………………………………12
3.4 主要元器件介绍……………………………………………………………………15
3.4.1FPGA介绍…………………………………………………………………………15
3.4.2锁相环4046介绍…………………………………………………………………16
3.4.3VHDL介绍…………………………………………………………………………19
3.4.4MAX+PLUSII介绍…………………………………………………………………20
4软件仿真与硬件调试与测试 ……………………………………………………20 4.1 软件部分仿真……………………………………………………………………20
4.2 硬件调试……………………………………………………………………………22
4.3 硬件电路测试………………………………………………………………………22
4.4 误差分析……………………………………………………………………………23
5 工程设计……………………………………………………………………………23
6 制作…………………………………………………………………………………24
7 结论…………………………………………………………………………………25
谢辞………………………………………………………………………………………26
参考文献…………………………………………………………………………………27
附录………………………………………………………………………………………28

④ 用单片机设计一个函数发生器的思路

波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次课程设计使用的AT89S51 单片机构成的发生器可产生锯齿波、三角波、正弦波等多种波形，波形的周期可以用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑等优点。在本设计的基础上，加上按钮控制和LED显示器，则可通过按钮设定所需要的波形频率，并在LED上显示频率、幅值电压，波形可用示波器显示。

二、系统设计

波形发生器原理方框图如下所示。波形的产生是通过AT89S51 执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。在AT89S51的P2口接5个按扭,通过软件编程来选择各种波形、幅值电压和频率，另有3个P2口管脚接TEC6122芯片，以驱动数码管显示电压幅值和频率，每种波形对应一个按钮。此方案的有点是电路原理比较简单，实现起来比较容易。缺点是，采样频率由单片机内部产生故使整个系统的频率降低。

1、波形发生器技术指标

1）波形：方波、正弦波、锯齿波；

2）幅值电压：1V、2V、3V、4V、5V；

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

2、操作设计

1）上电后，系统初始化，数码显示6个‘－’，等待输入设置命令。

2）按钮分别控制“幅值”、“频率”、“方波”、“正弦波”、“锯齿波”。

3）“幅值“键初始值是1V，随后再次按下依次增长1V，到达5V后在按就回到1V。

4）“频率“键初始值是10HZ，随后在按下依次为20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1000HZ循环。

三、硬件设计

本系统由单片机、显示接口电路，波形转换（D/A）电路和电源等四部分构成。电路图2附在后

1、单片机电路

功能：形成扫描码，键值识别、键处理、参数设置；形成显示段码；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路和显示驱动电路。

AT89S51外接12M晶振作为时钟频率。并采用电源复位设计。复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。

AT89S51的P2口作为功能按钮和TEC6122的接口。P1口做为D/A转换芯片0832的接口。用定时/计数器作为中断源。不同的频率值对应不同的定时初值，允许定时器溢出中断。定时器中断的特殊功能寄存器设置如下：

定时控制寄存器TCON＝20H；

工作方式选择寄存器TMOD=01H；

中断允许控制寄存器IE=82H。

2、显示电路

功能：驱动6位数码管显示，扫描按钮。

由集成驱动芯片TEC6122、6位共阴极数码管和5个按钮组成。当某一按钮按下时，扫描程序扫描到之后，通过P2口将数字信号发送到 TEC6122芯片。TEC6122是一款数字集成芯片。它的外接电压也是+5V，并且由于数码管的载压较小，为了保护数码管，必须在两者间接电阻，大约是560欧。

扫描利用软件程序实现，当某一按键按下时，扫描程序立即检测到，随后调用子程序，执行相应的功能。

3、D/A电路

功能：将波形样值的编码转换成模拟值，完成双极性的波形输出。

由一片0832和两块LM358运放组成。DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器LM358实现，用两片LM358可以实现双极性输出。

单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，的到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。重复输出N个点，成为第二个周期。利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。

四、 软件设计

主程序和子程序都存放在AT89S51单片机中。

主程序的功能是：开机以后负责查键，即做键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进行处理，主程序框图如图1所示。

子程序的功能有：幅值输入处理、频率输入处理、正弦波输出、锯齿波输出、方波输出、显示等。

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; /*存放特征键值*/

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

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

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

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

}

void time0_int(void) interrupt 1 //中断服务程序

{

TR0=0;

if(fun==1)

{

DA0832=tosin[b]; //正弦波

b++;

}

else if(fun==2) //锯齿波

{

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、心得体会

开始的时候由于没有经验，不知如何下手，所以就去图书管找了一些书看，尽管有许多的设计方案，可是总感觉自己还是有许多的东西弄不太清楚，于是就请教同学。他常做一些设计，有一些经验。经过他的解释分析各方案之后，决定用查表的方法来做。这样可以降低一些硬件设计的难度，初次设计应切合自己的水平。用8031需要扩展ROM，这样还要进行存储器扩展。而且现在8031实际中已经基本上不再使用，实际用的AT89S51芯片有ROM，这样把经过采样得到的数值制成表，利用查表来做就简单了。我认为程序应该不大，片内ROM应该够用的。用LED显示频率和幅值，现有集成的接口驱动芯片，波形可通过示波器进行显示，单片机接上D/A转换芯片即可，这样硬件很快就搭好了。

我以为这些做好了，构思也有了，写程序应该是相对容易的。谁知道，写起程序来，才想到功能键要有扫描程序才行呀，我真的感到很难。那时真的有点想放弃？于是就去请教了老师，老师帮忙分析了一下，自己又查阅了一些资料，终于明白了扫描程序怎么写。

于是在自己的努力下，程序很快就写好了。这次是我的第一个设计器件，尽管经历了不少的艰辛，但给我积累了一点设计的经验，最后也有点小小的成就感。后面的路还很长，我还的努力！

参考文献

[1] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础〔M〕.北京:高等教育出版社，2003.345-362

[2] 潘永雄，沙河，刘向阳.电子线路CAD实用教程〔M〕.西安：西安电子科技大学出版社，2001.13-118.

[3] 张毅刚，彭喜源，谭晓昀，曲春波.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨：哈

尔滨工业大学出版社，1997.53-61.

⑤ 模拟电子课程设计（正弦波发生器）

1 集成函数发生器ICL8038电路结构〔1〕

函数发生器ICL8038的电路结构如图虚线框内所示，共有5个组成部分。2个电流源的电流分别为IS1和IS2，且IS1＝I，IS2＝2I；2个电压比较器Ⅰ和Ⅱ的阈值电压分别为1／3 VCC和1／3 VEE，他们的输入电压等于电容两端的电压uc，输出电压分别控制RS触发器的S端和端；RS触发器的输出端Q和用来控制电子开关S，实现对电容C的充放电；2个缓冲放大器用于隔离波形发生电路和负载，使三角波和矩形波输出端的输出电阻足够小，以增强带负载能力；三角波变正弦波电路用于获得正弦波信号。

2 工作原理

当给函数发生器ICL8038接通电源时，电容C的电压为0 V，电压比较器Ⅰ和Ⅱ的输出电压均为低电平；因而RS触发器的输出Q为低电平，为高电平；使电子开关S断开，电流源IS1对电容充电，充电电流时间的增长而线性上升。uc的上升使RS触发器的R端从低电平跃变为高电平，但其输出不变，一直到uc上升到1／3 VCC时，电压比较器Ⅰ的输出电压跃变为高电平，Q才变为高电平（同时变为低电平），导致电子开关S闭合，电容C开始放电，放电电流为IS2－IS1＝I，因放电电流是恒流，所以，电容上电压uc随时间的增长而线性下降。起初，uc的下降虽然使RS触发器的S端从高电平跃变为低电平，但其输出不变。一直到uc下降到1／3 VEE，使电压比较器Ⅱ的输出电压跃变为低电平，Q才变为低电平（同时为高电平），使得电子开关S断开，电容C又开始充电。重复上述过程，周而复始，电路产生了自激振荡。由于充电电流与放电电流数值相等，因而电容上电压为对称三角波形,和Q）为方波，经缓冲放大器输出。三角波电压通过三角波变正弦波电路输出正弦波电压。通过以上分析可知，改变电容充电放电电流即改变RA，RB的数值，或改变电容C的数值，就改变了充放电时间，因此可改变其频率。

ICL8038是性能优良的集成函数发生器。可用单电源供电，也可双电源供电，他们的值为±5～±15 V，我们取±15 V，频率的可调范围为1～600 kHz，输出矩形波的占空比可调范围为2％～98％。

图2所示为ICL8038的引脚功能图，其中引脚8为频率调节（简称调频）电压输入端，电路的振荡频率与调频电压成正比，调频电压值是指电源VCC（引脚6）与引脚8之间的电压值，其变化范围不应超过1／3（VCC＋VEE），即引脚8的输入电压范围应在＋5～＋15 V之间。引脚7输出调频偏置电压，其绝对值是电源＋VCC与引脚7之差，一般其绝对值是1／5（VCC＋VEE），也就是说7脚电压应比电源电压低1／5（VCC＋VEE），如果VCC＝VEE＝15 V，7脚电压应取9 V，可见7脚电压也可作为引脚8的输入电压。

图3所示为ICL8038最常见的接法，矩形波输出端为集电极开路形式，需外接电阻RL＝10 kHz至＋VCC。图中RA和RB可分别独立调整，通过改变RA和RB的数值可改变矩形波的占空比，当RA＝RB时矩形波的占空比为50％，因而为方波。当RA≠RB时，矩形波不再是方波，引脚2输出也就不再是正弦波。

⑥ 模电课程设计函数信号发生器

一般是先产生一种波形。在经过各种电路变换成其他波形！从学校图书馆里可以很容易的找到相关资料！这种课设还是自己动手做做比较好，会有一定收获的！

⑦ 函数发生器基本原理

课程设计报告

西南大学计算机与信息科学学院

函数发生器的设计

摘要

函数信号发生器是一种能能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。我们通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。

关键字：方案确定、参数计算、调试、误差分析。

1.1问题的提出
设计一个函数发生器使得能够产生发波、三角波、正弦波。
1、 主要技术指标
频率范围 10Hz~100Hz，100Hz~1000Hz，1kHz~10kHz

频率控制方式 通过改变RC时间常数手控信号频率
通过改变控制电压Uc实现压控频率VCF

输出电压 正弦波Upp≈3 V 幅度连续可调;
三角波Upp≈5 V 幅度连续可调;
方波Upp≈14 V 幅度连续可调.

波形特性 方波上升时间小于2s；
三角波非线性失真小于1%；
正弦波谐波失真小于3%。
2、 设计要求
（1） 根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理，计算元件参数。
（2） 列出所有元、器件清单报实验室备件。
（3） 安装调试所设计的电路，使之达到设计要求。
（4） 记录实验结果。

1.2基本原理
1、 函数发生器的组成
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。

1.3提出解决问题的方案及选取
1、三角波变换成正弦波
由运算放大器单路及分立元件构成，方波——三角波——正弦波函数发生器电路组成如图1所示，由于技术难点在三角波到正弦波的变换，故以下将详细介绍三角波到正弦波的变换。

图1
（1） 利用差分放大电路实现三角波——正弦波的变换
波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图2所示。由图可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
㎝
图2
方案一：用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器

（2） 用二极管折线近似电路实现三角波——正弦波的变换

二极管折线近似电路 图3
根据二极管折线近似电路实现三角波——正弦波的变换的原理图，可得其输入、输出特性曲线如入3所示。
频率调节部分设计时，可先按三个频率段给定三个电容值：1000pF、0.01Μf、0.1μF然后再计算R的大小。手控与压控部分线路要求更换方便。为满足对方波前后沿时间的要求，以及正弦波最高工作频率（10kHz）的要求，在积分器、比较器、正弦波转换器和输出级中应选用Sr值较大的运放（如LF353）。为保证正弦波有较小的失真度，应正确计算二极管网络的电阻参数，并注意调节输出三角波的幅度和对称度。输入波形中不能含有直流成分。

方案二：用二极管折线近似电路以及集成运放组成的电路实现函数发生器
（3）图是由μA741和5G8038组成的精密压控震荡器，当8脚与一连续可调的直流电压相连时，输出频率亦连续可调。当此电压为最小值（近似为0）时。输出频率最低，当电压为最大值时，输出频率最高；5G8038控制电压有效作用范围是0—3V。由于5G8038本身的线性度仅在扫描频率范围10：1时为0.2%，更大范围（如1000：1）时线性度随之变坏，所以控制电压经μA741后再送入5G8038的8脚，这样会有效地改善压控线性度（优于1%）。若4、5脚的外接电阻相等且为R，此时输出频率可由下式决定：
f=0.3/RC4
设函数发生器最高工作频率为2kHz，定时电容C4可由上式求得。
电路中RP3是用来调整高频端波形的对称性，而RP2是用来调整低频端波形的对称性，调整RP3和RP2可以改善正弦波的失真。稳压管VDz是为了避免8脚上的负压过大而使5G8038工作失常设置的。

方案三：用单片集成函数发生器5G8038

可行性分析：
上面三种方案中，方案一与方案二中三角波——正弦波部分原理虽然不一样，但是他们有共通的地方就是都要认为地搭建波形变换的电路图。而方案三采用集成芯片使得电路大大简化，但是由于实验室条件和成本的限制，我们首先抛弃的是第三种方案，因为它是牺牲了成本来换取的方便。其次是对方案一与方案二的比较，方案一中用的是电容和电阻运放和三极管等电器原件，方案二是用的二极管、电阻、三极管、运放等电器原件，所以从简单而且便于购买的前提出发我们选择方案一为我们最终的设计方案。
1.4参数的确定
1、 从电路的设计过程来看电路分为三部分：①正弦波部分②方波部分③三角波部分
2、 正弦波部分
由于我们选取差分放大电路对三角波——正弦波
进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我
们现在选择KSP2222A型的三极管，其静态曲线图
像如右图所示。

根据KSP2222A的静态特性曲线，选取静态
工作区的中心

由直流通路有：
20 k

k

因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：
可得

3、 方波部分与三角波部分参数的确定
根据性能指标可知

由 ,可见f与c成正比，若要得到1Hz~10Hz，C为10 。10Hz~100Hz,C为1 。
则 =7.5k ~75k ，则 =5.1k
则 =2.4k 或者 =69.9 k
∴ 取100 k
∵
由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为5v和14v，有
=
∴ =10k
则 ≈47 k ， =20 k
根据方波的上升时间为两毫秒，查询运算放大器的速度，可以选择74141型号的运放。
由此可得调整电阻：

七、实务图的焊接和调试
1、按照方案一的电路图焊接好电路板。
2、调试前，将电路板接入±12伏电压，地线与电源处公共地线连接.
（1）频率范围:
为便于测量,将电路板上的方波信号接入示波器,并合上C1=10µF的开关，断开C2=1uF的开关,然后调节RP2,并测出此时方波信号频率的变化范围;
断开C1的开关,合上C2的开关,按照同样的方法调节RP2并记录方波信号频率的变化范围,结果如下:

电容 频率
10µF 1Hz～30Hz
1uF 27.47～316Hz

以上频率并未完全到达要求的指标范围，经分析，原因在于：

通过对比，发现频率范围整体下移，这里可能存在两个原因，第一是反馈通道上的 存在磨损，使电阻值达不到计算的数值。第二是三角波运放上的反向端的电阻 也存在 一样的问题。

（2）输出电压：
① 方波：
电路板上方波信号接入示波器，调节RP1,测得方波峰峰Vpp=14V，可见所得值与性能指标中的一致。
② 三角波：
撤除方波信号并接入三角波信号，调节RP1, 测得三角波峰峰值Upp=5V也能达到课题的要求。

③ 正弦波：
将正弦波信号接入示波器，调节RP3和RP4,测得正弦波峰峰值Upp=2.8V.也基本上能到达课题要求。

3、波形特性测定:
① 方波上升时间:
将电路板上的方波信号接入示波器,,调节示波器上周期调节旋钮,直到能清楚观测到方波信号上升沿处的跃变,测得方波上升时间为:
tr=6.4µs
分析：上升时间达不到要求，这个可以用换运放类型来解决。通过改变运放的速度来改变其上升时间。
① 三角波非线形失真:
撤除方波信号,将电路板上三角波信号接入示波器通道1,测得此时的三角波信号参数如下:
频率: f=98.42Hz
峰峰值: Upp=5V
此时将实验台上函数发生器产生的三角波作为标准信号接入示波器的通道2,并调节其频率及峰峰值,使之与要测试的三角波信号参数一致(f=98.42Hz,Upp=5V).
在示波器上的双踪模式下比较,发现两通道的三角波完全重合,说明无非线形失真.
② 正弦波严重失真:
分析：由于调节平衡的滑动变阻器的一只引脚坏掉了，我自己拿一根导线将其接好，所以导致电路的不对成性，使得静态工作点偏离原定的位置，故导致此结果。

1.5心得体会
通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！

⑧ 函数波形发生器课程设计

函数波形发生器设计
摘 要
函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。
本课题采用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—正弦波函数发生器的设计方法，先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
经过仿真得出了方波、三角波、正弦波、方波——三角波转换及三角波——正弦波转换的波形图。
关键字：函数信号发生器、集成运算放大器、晶体管差分放
设计目的、意义
1 设计目的
（1）掌握方波—三角波——正弦波函数发生器的原理及设计方法。
（2）掌握迟滞型比较器的特性参数的计算。
（3）了解单片集成函数发生器8038的工作原理及应用。
（4）能够使用电路仿真软件进行电路调试。
2 设计意义
函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。
设计内容
1 课程设计的内容与要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：
1.1课程设计的内容
（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波。
（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计
（3）指标：
输出波形：正弦波、三角波、方波
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；
（4）对单片集成函数发生器8038应用接线进行设计。
1.2课程设计的要求
（1）提出具体方案
（2）给出所设计电路的原理图。
（3）进行电路仿真，PCB设计。
2 函数波形发生器原理
2.1函数波形发生器原理框图

图2.1 函数发生器组成框图
2.2函数波形发生器的总方案
函数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路或仪器。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 (如低频信号函数发生器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8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用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—正弦波函数发生器的设计方法。
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，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；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法[3]。
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，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曲线的非线性。
2.3函数波形发生器各组成部分的工作原理
2.3.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。Uo通过R3对电容C正向充电，如图2.3中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡[4]。
2.3.2方波——三角波转换电路的工作原理
图2.2方波—三角波产生电路
工作原理如下：
若a点断开，整个电路呈开环状态。运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+ Vcc,则
(2.1)
将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia_为
(2.2)
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
(2.3)
比较器的门限宽度：
(2.4)
由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图2.3所示。
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Uo1，则积分器的输出Uo2为：
(2.5)
时，
(2.6)
时，
(2.7)
可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图2.4所示。
a点闭合，即比较器与积分器形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为：
(2.8)
方波-三角波的频率f为：
(2.9)
由以上两式(2.8)及(2.9)可以得到以下结论：
(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。若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，PR2实现频率微调。
(2) 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。
电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率[3]。

图2.3比较器的电压传输特性

图2.4方波与三角波波形关系

2.3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理
如图2.5三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，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曲线的非线性[1]。

图2.5 三角波——正弦波的变换电路
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
(2.10)
(2.11)
式中
——差分放大器的恒定电流；
——温度的电压当量，当室温为25oc时， ≈26mV。
如果Uid为三角波，设表达式为
(2.12)
式中 Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波，由图2.6可见：
（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。
（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
（3）图2.7为实现三角波——正弦波变换的电路。其中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小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，以滤除谐波分量，改善输出波形[2]。

图2.6三角波—正弦波变换原理
图2.7三角波—正弦波变换电路

2.4电路的参数选择及计算
2.4.1方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）
实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。
2.4.2三角波—正弦波部分的计算
比较器A1与积分器A2的元件计算如下：
由式（2.8）得
即
取 ，则 ，取 ，RP1为47KΩ的点位器。取平衡电阻
由式（2.9）
即
当 时，取 ，则 ，取 ，为100KΩ电位器。当 时 ，取 以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻 。
三角波—正弦波变换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 ，滤波电容 视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多， 可取得较小， 一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，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及电阻R*确定。
2.5 总电路图
先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。如图2.5.1所示，

图2.5.1三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路

2.6 8038单片集成函数发生器
2.6.1 8038的工作原理
8038由恒流源I1、I2，电压比较器C1、C2和触发器①等组成。其内部原理电路框图和外部引脚排列分别如图2.8和图2.9所示。

图2.8 8038原理框图

图2.9 8038管脚图（顶视图）
1. 正弦波线性调节；2. 正弦波输出；3. 三角波输出；4. 恒流源调节；5. 恒流源调节；6. 正电源；7. 调频偏置电压；8. 调频控制输入端；9. 方波输出（集电极开路输出）； 10. 外接电容；11. 负电源或接地；12.正弦波线性调节；13、14. 空脚
在图2.8中，电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节，且I2必须大于I1。当触发器的Q端输出为低电平时，它控制开关S使电流源I2断开。而电流源I1则向外接电容C充电，使电容两端电压vC随时间线性上升，当vC上升到vC=2VR/3 时，比较器C1输出发生跳变，使触发器输出Q端由低电平变为高电平，控制开关S使电流源I2接通。由于I2>I1 ，因此电容C放电，vC随时间线性下降。当vC下降到vC≤VR/3 时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端Q又由高电平变为低电平，I2再次断开，I1再次向C充电，vC又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若I2=2I1 ，vC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚3。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。当I1<I2<2I1 时，vC的上升时间与下降时间不相等，管脚3输出锯齿波。因此，8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。
图2.8中的触发器，当R端为高电平、S端为低电平时，Q端输出低电平；反之，则Q端为高电平。
2.6.2 8038构成函数波形发生器
由图2.9可见，管脚8为调频电压控制输入端，管脚7输出调频偏置电压，其值（指管脚6与7之间的电压）是(VCC+VEE/5) ，它可作为管脚8的输入电压。此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与9脚之间外接一电阻，其值常选用10k左右，如图2.10所示。当电位器Rp1动端在中间位置，并且图中管脚8与7短接时，管脚9、3和2的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率f约为0.3/[C(R1+RP1/2)] 。调节RP1、RP2可使正弦波的失真达到较理想的程度。
在图2.10中，当RP1动端在中间位置，断开管脚8与7之间的连线，若在+VCC与-VEE之间接一电位器，使其动端与8脚相连，改变正电源+VCC与管脚8之间的控制电压（即调频电压），则振荡频率随之变化，因此该电路是一个频率可调的函数发生器。如果控制电压按一定规律变化，则可构成扫频式函数发生器。

图2.10 8038接成波形产生器阿
3电路仿真
3.1电路仿真
3.1.1方波——三角波发生电路的仿真

图3.1 方波

图3.2 三角波

图3.3 方波——三角波
3.1.2三角波---正弦波转换电路的仿真

图3.4 三角波——正弦波

参考文献
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