摘要：函數(shù)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形的儀器，已有相當(dāng)長的發(fā)展歷史。它所提供的信號(hào)源是使用最廣的通用信號(hào)源,給人們的教學(xué)、科研和生產(chǎn)檢測(cè)都提供了強(qiáng)大的幫助,人們對(duì)它的研究也在不斷進(jìn)行。本文設(shè)計(jì)的函數(shù)發(fā)生器將在一定頻率范圍內(nèi)，采用比較器、積分器以及差分放大器等分立元件進(jìn)行實(shí)現(xiàn),具有電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、使用靈活、頻率范圍可以擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。
　　關(guān)鍵詞：比較器，積分器，差分放大電路
　　引言
　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生多種波形的電路或者儀器。它所提供的信號(hào)源是使用最廣的通用信號(hào)源，如正弦波、鋸齒波、方波、脈沖串等波形。一臺(tái)功能較強(qiáng)的函數(shù)波形發(fā)生器，不僅能夠產(chǎn)生多種波形，還具有掃頻及頻率計(jì)等功能。函數(shù)發(fā)生器在學(xué)生的實(shí)驗(yàn)、科研及設(shè)備檢測(cè)中都有十分廣泛的用途。本文設(shè)計(jì)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器體積小、功耗少、價(jià)格低，最主要的是它的輸出波形較為靈活，可供選擇。
　　1函數(shù)發(fā)生器的基本原理
　　函數(shù)發(fā)生器的電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成，也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。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，本設(shè)計(jì)采用由集成運(yùn)放及分離元件構(gòu)成的方法來設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器，使其能夠產(chǎn)生三種波形，即方波、三角波和正弦波。
　　函數(shù)發(fā)生器的原理框圖如圖1所示。
　　
　　作者簡(jiǎn)介：馬貞（1984-），女，河南鄭州人，助教，大學(xué)本科。研究方向：電路與系統(tǒng)
　　
　　
　　圖1函數(shù)發(fā)生器的原理框圖
　　從圖1中可以看出，函數(shù)發(fā)生器主要由比較器、積分器和正弦變換器組成。這里的比較器主要是采用遲滯比較器。由比較器產(chǎn)生的方波通過積分電路變換成三角波，積分電路中的電容的充、放電時(shí)間決定了三角波的頻率。這里遲滯比較器、積分電路和反饋網(wǎng)絡(luò)組成了振蕩器，積分器產(chǎn)生的三角波送到比較器的輸入端，經(jīng)過比較器又產(chǎn)生方波。積分器產(chǎn)生的三角波送到差分放大電路的輸入端，利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性特性將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波[1]。在本次的設(shè)計(jì)中，要求要有兩個(gè)頻率波段（1~10Hz,10~100Hz）生成，因此在積分電路中采用單刀雙擲開關(guān)來切換兩個(gè)容量不同的積分電容，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻率范圍之間的轉(zhuǎn)換。
　　2各部分電路設(shè)計(jì)
　　2.1方波——三角波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
　　下面主要介紹由方波到三角波的轉(zhuǎn)換。圖2中，模擬信號(hào)經(jīng)過遲滯比較器輸出方波信號(hào)，若要生成三角波信號(hào)，只需將遲滯比較器的輸出端通過R4接到積分器的反相輸入端。由此利用遲滯比較器和積分電路可組成方波——三角波轉(zhuǎn)換電路，如圖3所示。
　　
　　圖2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路
　　由圖2可見，信號(hào)Uo1接入積分器的反相輸入端。此反相積分器由運(yùn)算放大器IC2與電阻R4、R5、RP2及電容C2、C7組成，R5為平衡電阻。從而可得積分器的輸出Uo2為：
　　
　　當(dāng)Uo1=+VCC時(shí)，電容C2被充電，電容電壓UC2的上升規(guī)律為線性上升，Uo2與UC2的極性相反，則
　　
　　即Uo2線性下降。當(dāng)Uo2（即Ui）下降到Uo2=UTH2時(shí)，比較器IC1的輸出Uo1狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即Uo1由高電平+VCC變?yōu)榈碗娖?VEE，于是電容C2放電，電容電壓UC2線性下降，
　　
　　即Uo2線性上升。當(dāng)Uo2（即Ui）上升到Uo2=UTH1時(shí)，比較器IC1的輸出Uo1狀態(tài)又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即Uo1由低電平-VEE變?yōu)楦唠娖?VCC，電容C2又被充電，周而復(fù)始，不停地振蕩。Uo1輸出是方波，Uo2輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的三角波，其波形關(guān)系如圖3所示。
　　
　　圖3三角波與方波的關(guān)系圖
　　2.2三角波——正弦波轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
　　三角波——正弦波的波形變換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4所示。
　　
　　圖4差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波-正弦波變換的原理圖
　　由圖4可以看出，傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)域越窄，則輸出的正弦波形越好；三角波的幅度ΔUTH應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。差分放大器工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移。利用差分放大器可將低頻率的三角波變換成正弦波。這里選擇的差分放大電路形式如圖5所示。
　　
　　圖5差分放大電路
　　分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為：
　　
　　
　　式中≈為差分放大器的恒定電流；UT為溫度的電壓當(dāng)量。當(dāng)室溫為25℃時(shí)，UT≈26mV。
　　根據(jù)理論分析，如果差分電路的差模輸入U(xiǎn)id為三角波，則IC1與IC2的波形近似為正弦波。因此，單端輸出電壓Uo3也近似于正弦波，從而實(shí)現(xiàn)了三角波到正弦波的變換。
　　在圖5所示的電路中，電位器RP3用于調(diào)節(jié)輸入三角波幅度，RP4用于調(diào)節(jié)電路的對(duì)稱性，RE1可以減小差動(dòng)放大器傳輸特性的線性區(qū)。電容C3、C4和C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。
　　3結(jié)論
　　本文用到的有抗干擾能力強(qiáng)的遲滯比較器，積分器和差分放大電路。其設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是在三角波到正弦波的變換上。這里主要是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性來進(jìn)行波形的變換。此外，還有多種方法可實(shí)現(xiàn)這一變換。如可以用二極管折線近似電路或單片集成函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)變換。這些方法可根據(jù)設(shè)計(jì)要求的不同進(jìn)行選擇應(yīng)用。
　　另外，在信號(hào)頻率段的控制上，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在兩個(gè)不同的頻率段之間的切換。那么根據(jù)主要原理，多個(gè)頻率段之間的切換同樣可以實(shí)現(xiàn)，只需要采用一個(gè)多路的模擬開關(guān)，通過參數(shù)計(jì)算，選擇不同的電容值即可。
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