函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)制作

1、函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)、與裝配實(shí)習(xí)函數(shù)信號發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電子儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件（如視頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片函數(shù)發(fā)生器模塊5G8038）。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及設(shè)計(jì)、調(diào)試技術(shù)，本課題要求設(shè)計(jì)由集成運(yùn)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(shù)發(fā)生器。一設(shè)計(jì)制作要求： 掌握方波 一 三角波 一 正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法與測試技術(shù)。學(xué)會由分立器件與集成電路組成的多級電子電路小系統(tǒng)的布線方法。掌握安裝、焊接與調(diào)試電路的

2、技能。掌握在裝配過程中可能發(fā)生的故障進(jìn)行維修的基本方法。二方波 一 三角波 一 正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)要求 函數(shù)發(fā)生器能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形。其電路中使用的器件可以是分立器件，也可以是集成電路(如單片集成電路函數(shù)發(fā)生器ICL8038)。本次電子工藝實(shí)習(xí)，主要介紹由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器組成的方波 一 三角波 一 正弦波函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與制作方法。產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種：1：如先產(chǎn)生正弦波，然后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。2：先產(chǎn)生三角波一方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ā? 3：本次電路設(shè)

3、計(jì)，則采用的 圖1函數(shù)發(fā)生器組成框圖是先產(chǎn)生方波 一 三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法。此鐘方法的電路組成框圖。如圖1所示：可見，它主要由：電壓比較器、積分器和差分放大器等三部分構(gòu)成。為了使大家能較快地進(jìn)入設(shè)計(jì)與制做狀態(tài)，節(jié)省時(shí)間，在此，重新復(fù)習(xí)電壓比較器、積分器和差分放大器的基本構(gòu)成和工作原理： 所謂比較器，是一種用來比較輸入信號v1和參考電壓VREF，并判斷出其中哪個大，在輸出端顯示出比較結(jié)果的電路。在電子技術(shù)基礎(chǔ)一書的9.4非正弦波信號產(chǎn)生電路的9.4.1中，專門講述了： A：單門限電壓比較器、B：過零比較器 C：遲滯比較器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理。一、 單門限電壓比較器所謂單門

4、限電壓比較器，是指比較器的輸入端只有一個門限電壓。如果比較器的輸入信號從運(yùn)放的同相端輸入，則稱為：同相輸入單門限電壓比較器。如果比較器的輸入信號從運(yùn)放的反相端輸入，則稱為：反相輸入單門限電壓比較器它們的基本電路結(jié)構(gòu)相同，如圖2a所示，不同的是輸入信號的接法。 在圖2a所示的比較器基本電路中，我們可知：參考電壓REF加于運(yùn)放的反相端，它可以是正值，也可以是負(fù)值（也可以從同相端加入），圖中給出的為正值。而輸入信號1則加于運(yùn)放的同相端（也可以從反相端加入）。由此可見，它是同相輸入單門限電壓比較器。這時(shí)，運(yùn)放處于開環(huán)工作狀態(tài)，具有很高的開環(huán)電壓增益。電路的傳輸特性如圖2b所示。電路的工作過程是：當(dāng)輸入

5、信號電壓1小于參考電壓VREF時(shí)，即差模輸入電壓ID=1一VREF < 0時(shí)，運(yùn)放將處于負(fù)飽和狀態(tài)，輸出電壓o= VoL;當(dāng)輸入信號電壓1升高到略大于參考電壓VREF時(shí)，即差模輸入電壓ID =1一VREF > O，運(yùn)放立即轉(zhuǎn)于正飽和狀態(tài)，輸出電壓uo =VoH，如圖的實(shí)線所示，它表示1在參考電壓VREF附近有微小的減小時(shí)，輸出電壓將從正的飽和值VoH過渡到負(fù)的飽和值VoL。若有微小的增加，輸出電壓又將從負(fù)的飽和值VoL過渡到正的飽和值VoH。把比較器輸出電壓uo從一個電平跳變到另一個電平時(shí)相應(yīng)的輸人電壓1值稱為門限電壓或閾值電壓Vth，對于圖2所示電路，Vth = VREF。反相輸

6、入單門限電壓比較器的工作原理與之相同。其相應(yīng)傳輸特性如圖2b中的虛線所示。 二、過零比較器所謂過零比較器是指將參考電壓設(shè)為零，即VREF = O，它的基本電路結(jié)構(gòu)如圖3a所示：其傳輸特性如圖3 b所示由過零比較器的基本電路可知，輸入信號電壓1每次過零時(shí)，輸出電壓就要產(chǎn)生突然的變化。這種比較器就稱為過零比較器。其具體的工作過程：見“EWB過零比較器”當(dāng)輸入信號為正弦波時(shí)，每過零一次，比較器的輸出端將產(chǎn)生一次電壓跳變，其正、負(fù)向幅度均受供電電源的限制。因此，輸出電壓波形將為具有正負(fù)極性的方波。若使方波電壓經(jīng)由RC微分電路(這時(shí)電路的時(shí)間常數(shù)RC T/2，T為輸入正弦信號周期輸出，那么輸出電壓就將為

7、一系列的正、負(fù)相間的尖頂脈沖， 如果輸出的正負(fù)向尖頂脈沖，又經(jīng)二極管D接到負(fù)載電阻RL上，則因二極管的單向?qū)щ娮饔?，?fù)載上就只剩下正向的尖頂脈沖，其時(shí)間間隔等于輸入正弦波周期T，如圖9.4.2f所示。這里，二極管把負(fù)向尖頂脈沖削去了，稱為削波或限幅，二極管D和RL構(gòu)成限幅電路。三、遲滯比較器 單門限電壓比較器雖然有電路簡單、靈敏度高等特點(diǎn)，但其抗干擾能力差。例如，單門限電壓比較器，當(dāng)輸入信號電壓1中含有噪聲或干擾電壓時(shí)，由于在1=Vth=VREF附近出現(xiàn)干擾，輸出電壓o將時(shí)而為VoH，時(shí)而為VoL，導(dǎo)致比較器輸出不穩(wěn)定。如果用這個輸出電壓o去控制電機(jī)，將出現(xiàn)頻繁的起停現(xiàn)象，這種情況是不允許的。

8、提高抗干擾能力的一種方案是采用遲滯比較器。(1)電路組成 顧名思義，遲滯比較器是一個具有遲滯回環(huán)傳輸特性的比較器。它是在反相輸入單門限電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋網(wǎng)絡(luò)，如圖4所示：就組成了具有雙門限值的反相輸入遲滯比較器又叫施密特觸發(fā)器(Schmitt Trigger)。如將1與VREF位置互換，就可組成同相輸入遲滯比較器。由于正反饋?zhàn)饔?，這種比較器的門限電壓是隨輸出電壓uo的變化而改變的。它的靈敏度低一些，但抗干擾能力卻大大提高了。(2)門限電壓的估算 由于比較器中的運(yùn)放處于正反饋狀態(tài)，因此一般情況下，輸出電壓o與輸人電壓1不成線性關(guān)系，只有在輸出電壓o發(fā)生跳變瞬間，集成運(yùn)放兩個輸入之間的

9、電壓才可以近似認(rèn)為等于零，即ID0或pN=1是輸出電壓o轉(zhuǎn)換的臨界條件。 當(dāng)輸入電壓1 >p（門限電壓）時(shí)，輸出電壓o為低電平Vol。 當(dāng)輸入電壓1 <p時(shí)，輸出電壓o為高電平VoH。一 積分器二 差分放大器1）方波一三角波產(chǎn)生電路方波 一 三角波信號產(chǎn)生的基本電路如圖2所示。圖2 產(chǎn)生方波 一 三角波信號的基本電路電路工作原理如下:若a點(diǎn)斷開，運(yùn)算放大器A1與R1、R2及R3、RP1組成同相輸入遲滯比較器，R1稱為平衡電阻，R3、RP1為正反饋元件，C1稱為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn):運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即V_ = 0，同相端接輸入電壓Via;比較器的輸出Vo1的高電平等于

10、正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓_VEE 。當(dāng)比較器的V+ = V- = 0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出信號Vo1則從高電平+Vcc跳到低電平-VEE，或從低電平-VEE跳到高電平+Vcc。設(shè)o1Vcc，則：V+=(+Vcc)+ Via = 0 式1式中，RP1指電位器的調(diào)整值（以下同），將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限電位 Via- = (+Vcc) = Vcc 式2若vo1= -VEE ，則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位 Via+ = (-VEE) = Vcc 式3比較器的門限寬度VH為 VH = Via+ Via- = 2。Vcc 式4由式1式4可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3所示 圖3 比較器

11、電壓傳輸特性 圖4方波三角波 （見EWB電壓比較器）a點(diǎn)斷開后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波V01 ,則積分器的輸出 02 式5當(dāng)01Vcc時(shí) 02t = t 式6當(dāng)v01Vcc時(shí) 02t = t 式7可見，當(dāng)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形關(guān)系如圖4所示（見EWB積分器）如果把電壓比較器與積分器首尾相連，形成一個閉環(huán)電路，則該電路就能夠自動產(chǎn)生方波三角波。（見EWB HSXHFSQ）三角波的幅度 V02m = Vcc 式8 方波三角波的頻率 = 式9由此可得出以下結(jié)論： 電位器RP2在調(diào)整方波三角波的輸出頻率時(shí)，不會

12、影響輸出波形的幅度，若要求輸出頻率范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，RP2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。 方波的輸出幅度約等于電源電壓Vcc，三角波的輸出幅度不超過電源電壓Vcc電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波三角波的頻率。2三角波 正弦波變換電路為學(xué)習(xí)多級電路的調(diào)試技術(shù)，我們將選用差分放大器作為三角波- 正弦波的變換電路，波形變換的原理是：利用差分對管的飽和與截止特性進(jìn)行變換，分析表明，差分放大器的傳輸特性曲線ic1 （或ic2）的表達(dá)式為 C1= = 式10式中IcIE1；Io為差分放大器的恒定電流；VT為溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25 時(shí)，VT26mV。如果vid 為三角波，設(shè)表達(dá)式= 式11 式

13、中，Vm為三角波的幅度；T為三角波的周期。將式11代入式10，則 式12用計(jì)算機(jī)對式12進(jìn)行計(jì)算，打印輸出的ic1(t) 或ic2(t) 曲線近似于正弦波，則差分放大器的輸出電壓ic1(t)、ic2(t)亦近似于正弦波，波形變換過程如圖5示 為使輸出波形更接近正弦波，要求： 傳輸特性曲線盡可能對稱，線性區(qū)盡可能窄； 三角波的幅值Vm就接近晶體管的截止電壓值。圖5 三角波 正弦波變換圖6為三角波 正弦波的變換電路，其中，RP1調(diào)節(jié)三角波的幅度，RP2調(diào)整電路的對稱性，并聯(lián)電阻RE2用來減小差分放大器的線性區(qū)。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。 圖6 三角波

14、正弦波變換電路三 、函數(shù)發(fā)生器的性能指標(biāo) 輸出波形 正弦波、方波、三角波等 頻率范圍 頻率范圍一般分為若干波段：如1HZ10HZ，10HZ100HZ，100HZ1KHZ，1KHZ10KHZ，10KHZ100KHZ，100KHZ1MHZ等6個波段。 輸出電壓 一般指輸出波形的峰值，即VP-P =2Vm。 波形特性 表征正弦波特性的參數(shù)是非線性失真，一般要求< 3%；表征三角波特性的參數(shù)是非線性系數(shù)，一般要求< 2%；表征方波特性的參數(shù)是上升時(shí)間tr，一般要求tr< 100ns(1KHZ,最大輸出時(shí))。 四、設(shè)計(jì)舉例例 設(shè)計(jì) 方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器。性能指標(biāo)要求： 頻率范圍

15、1HZ10HZ，10HZ100HZ； 輸出電壓 方波Vp-p24V，三角波Vp-p8V，正弦波Vp-p>1V； 波形特性 方波tr< 10us, 三角波< 2%, 正弦波< 5%。解 （1）確定電路形式及元器件型號采用如圖9所示電路： 圖9 三角波方波正弦波函數(shù)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)電路其中運(yùn)算放大器A1與A2用一只運(yùn)放uA747，差分放大器采用晶體管單端輸入單端輸出差分放大器電路。因?yàn)榉讲ǖ姆冉咏娫措妷海匀‰娫措妷?Vcc+12V，-Vcc-12V。（2）計(jì)算元件參數(shù)比較器A1與積分器A2的元件參數(shù)計(jì)算如下：由式8得 取R210K，R310K，RP147K，平衡電阻R1R

16、2(R3+RP1)10K由輸出頻率的表達(dá)示9得 當(dāng)1HZ10HZ時(shí)，取C210uF,R4=5.1K,RP2=100K；當(dāng)10HZ100HZ時(shí)，取C21uF以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變，取平衡電阻R510K。三角波 正弦波電路的參數(shù)選擇原則是隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取C3C4C5470uF，濾波電容C6的取值視輸出的波形而確定，若含商次諧波成分較多，則C6一般為幾十皮法至0.1uF，RE2100與RP4100相并聯(lián)，以減小差分放大的線性區(qū)，差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*來確定。五、電路安裝與調(diào)試技術(shù)在裝調(diào)多級電路時(shí)

17、，通常按照單元電路的先后順序進(jìn)行分級裝調(diào)與級聯(lián)，圖9所示電路的裝調(diào)順序如下：1 方波三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與三角波，故這兩個單元電路可以同時(shí)安裝，需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，否則電路可能會不起振，如果電路接線正確，則在接通電源后，A1的輸出V01為方波，A2的輸出V02為三角波，微調(diào)RP1，使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率連續(xù)可變。2三角波 正弦波變換電路的裝調(diào)三角波 正弦波變換電路可利用差分放大器電路平實(shí)現(xiàn)，電路的調(diào)試步驟如下： 差分放大器傳輸特性曲線調(diào)試，將C4與RP3的

18、連線斷開，經(jīng)電容C4輸入差模信號電壓Vid50mV,=100HZ的正弦波。調(diào)節(jié)RP4及電阻R*，使傳輸特性曲線對稱，再逐漸增大Vid，直到傳輸特性曲線形狀如圖5所示，記下此時(shí)對應(yīng)的峰值Vidm。移去信號源，再將C4左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作I0、VC1Q、VC2Q、VC3Q、VC4Q。 三角波 正弦波變換電路調(diào)試，將RP3與C4連接，調(diào)節(jié)RP3使三角波的輸出幅度（經(jīng)RP3后輸出）等于Vidm，這時(shí)V03的波形應(yīng)接近正弦波，調(diào)整C6改善波形。如果V03的波形出現(xiàn)如圖10所示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)整和修改電路參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及采取的相應(yīng)處理措施如下： 鐘形失真 如圖10（a）所示，傳

19、輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小RE2。 半波圓頂或平頂失真 如圖10（b）所示，傳輸特性曲線對稱性差，工作點(diǎn)Q偏上或偏下應(yīng)調(diào)整電阻R*。 非線性失真 如圖10（c）所示，三角波的線性度較差引起的失真，主要受運(yùn)放性能的影響，可在輸出端加濾波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。 圖10 波形失真現(xiàn)象3. 誤差分析 方波輸出電壓VP-P<2Vcc,是因?yàn)檫\(yùn)放輸出級由NPN或PNP型兩種晶體管組成的復(fù)合互補(bǔ)對稱電路，輸出方波時(shí)，兩管截止與飽和導(dǎo)通，由于導(dǎo)地輸出電阻的影響，使方波輸出幅度小于電源電壓值。 方波的上升時(shí)間tr，主要受運(yùn)放轉(zhuǎn)換速率的限制，如果輸出頻率較高，則可接入加速電容C1（C1一般為幾十皮法），可用

20、示波器（或脈沖示波器）測量tr。六、設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)課題 方波 三角波 正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì) 已知條件 雙運(yùn)放A747一只（或A741兩只）。 性能指標(biāo)要求 頻率范圍 100HZ1KHZ，1KHZ10KHZ； 輸出電壓 方波Vp-p24V，三角波Vp-p6V，正弦波Vp-p>1V； 波形特性 方波tr<1us（1KHZ，最大輸出時(shí)）， 三角波< 2%，正弦波< 5%。三方波 一 三角波 一 正弦波函數(shù)發(fā)生器裝配工藝1元件清單名 稱規(guī) 格數(shù) 量備注集成電路UA7412運(yùn)算放大器晶體管3DG1304電阻器10012K251K168K282K110K520K1微調(diào)電阻100147

21、K2100K1電容器0.1uF11uF110uF1470uF3測量接線柱3轉(zhuǎn)換開關(guān)座1開關(guān)短接頭12認(rèn)識電路板印刷電路板的焊盤、連線，如圖1所示，圖中電路板上只有一個電阻和兩段導(dǎo)線。 圖1印制電路板圖單面板的剖面圖如圖2所示。電路板從元件面看的標(biāo)注字符稱為標(biāo)注層，亦稱為絲印字符層;底部稱為底層，即導(dǎo)電銅箔層。元件在裝配時(shí)從絲印字符層的引線孔插入，利用焊錫連接元件的引線和焊盤。為了保證裝配優(yōu)良，同一元件的焊盤與焊盤之間的相對位置要合適，焊盤的大小、 圖2單面板剖面圖引線孔要合適。這些由使用的元件的封裝決定。圖3為本次工藝實(shí)習(xí)所用的通用電路板的底面透視圖。圖3通用電路板的底面透視圖。3、裝配流程與

22、工藝1）基本知識 在生產(chǎn)廠家的實(shí)際生產(chǎn)中，為保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率，通常有嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝。在這里我們主要可以了解一個電子產(chǎn)品的工藝流程，同時(shí)可以學(xué)習(xí)焊接工藝、整機(jī)總裝工藝。 一般電子產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝流程如圖4所示。配料主要是準(zhǔn)備好材料，如對電子元件進(jìn)行定型、對引出線進(jìn)行裁長及端頭處理等等。插件是把電子元件插入線路板焊錫是把元件引腳與線路板的焊盤通過焊錫連接起來。通常有手工焊接、浸焊、波峰焊等。我們這里將采用手工焊接。焊接是一關(guān)鍵的工序，工廠通常采用浸焊或波峰焊下面主要介紹一下手工焊接工藝流程和方法。（1)手工焊接的基本步驟 手工焊接的基本步驟如圖5(2)保證焊接質(zhì)量的因素 1保持焊接觸表面及烙鐵

23、頭清潔。初次使用烙鐵頭要先將烙鐵頭浸上一層錫。平時(shí)焊接時(shí)要勤在浸水的海棉上擦試?yán)予F頭，以保證焊鐵頭保持干凈、不被氧化。 2選擇合適的焊料和焊劑。保證焊點(diǎn)有良好的導(dǎo)電性及足夠的機(jī)械強(qiáng)度。焊接點(diǎn)的焊錫面應(yīng)發(fā)亮。 3保證合適的焊接溫度。烙鐵頭的溫度一般控制在300°C士lO°C。 4合適的焊接時(shí)間。焊接時(shí)間與烙鐵頭的溫度、被焊接件散熱特性有關(guān)。一般掌握在焊錫自然擴(kuò)張至整個焊接部件后稍作停留，通常不要超3秒鐘。 良好焊點(diǎn)的特點(diǎn): 焊錫自然擴(kuò)張，鋪滿整個焊盤，外形如倒立的富士山，如圖6。不良的焊接如圖72）電路板的裝配的基礎(chǔ)知識本次采用手工焊接與裝配。各元件的安裝注意如下事項(xiàng)。（1）跨接線 跨接線俗稱“跳線”，實(shí)際上是用于短路的導(dǎo)線，一般為了便于電路板走線。在插件時(shí)應(yīng)貼緊線路板。(2)電阻 電阻是電子線路中最見的元件，小功率的電阻一般可以貼線路板安裝。對于消耗功率較大的電阻，在安裝時(shí)應(yīng)考慮散熱;一般不能貼緊線路板安裝，而是應(yīng)離開線路板一定的距離。(3)二極管 二極管是有方向（即正、負(fù)極之分）