功率函数信号发生器的设计.doc

功率函数信号发生器得设计
一、概述
函数发生器作为一种常用得信号源,就是现代测试领域内应用最为广泛得通用仪器之一。在研制、生产、测试与维修各种电子元件、部件以及整机设备时,都要有信号源，由它产生不同频率不同波形得电压、电流信号并加到被测器件或设备上,用其她仪器观察、测量被测仪器得输出响应，以分析确定它们得性能参数。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。
函数信号发生器根据用途不同,有产生三种或多种波形得函数发生器，产生方波、正弦波、三角波得方案有多种,如先产生正弦波,根据周期性得非正弦波与正弦波所呈得某种确定得函数关系,再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波;也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。
本实验要求实现频率范围在1～1０kHｚ连续可调输出并达到正弦波,方波，三角波输出电压幅值要求，功率放大部分达到最大不失真输出功率得要求范围,用数字频率显示实现１～10kHｚ频率连续显示。
二、方案论证
设计一个功率函数信号发生器,使其能产生正弦波、三角波、方波,并能够对信号进行功率放大输出，且要求通过数字频率显示电路实时显示出信号频率。
方案一：采用RＣ桥式文氏振荡电路产生正弦波,利用电压比较器将正弦波转化为方波，然后通过积分电路将方波转化为三角波,通过OＣL电路对其进行功率放大输出,最后通过数字频率显示电路实现波形频率实时显示。
方案二:首先产生三角波—方波,再通过电路将三角波变成正弦波或者将方波变成正弦波,然后对信号进行功率放大输出,最后通过８位单片机(如AT89S51)及其外围电路进行信号频率显示.
　 本实验采用得就是方案一,通过RC桥式文氏振荡电路产生正弦波得方案易于实现,性价比较高，且通过数字电路显示信号频率可以增加对已学数电知识得掌握,故本实验选择方案一。
三、 电路设计
1、总体电路组成部分
本实验首先利用RC桥式文氏振荡电路产生正弦波,然后利用电压比较器电路把正弦波转化为方波，再利用积分电路把方波转化为三角波,利用波形变换电路调节波形幅度得大小，最后信号频率可通过数字频率显示电路进行显示，原理框图如图1所示。

图1 总体电路原理框图
2、函数发生部分电路
函数发生部分电路主要由RC桥式文氏正弦波发生电路、电压比较器电路、积分器电路与OＣL功率放大部分电路组成。
1） RC桥式文氏正弦波发生电路
由于频率要求范围为1～1０ｋＨz连续可调,实现方法为将振荡频率范围分为、、、四个频率段进行,通过计算分别确定电容与滑动变阻器得数值，由公式f=1/2πC（R4＋Ｒ３）与f=1/2πＣＲ3得,当滑动变阻器R得值选定为９K时,四个档位电容得值分别选定为１6uＦ、1、6uＦ、0、16uF、0、0１6uＦ,具体计算过程如下:
当C１=C8=16uＦ，R3=R6＝9，Ｒ4＝Ｒ５=１时,振荡频率=1Hz;
当Ｃ1=C8=16ｕＦ,Ｒ3=R6=0，R４=R5=１时,振荡频率=１０Ｈz；
当C2=C5=1、6uF，R３＝R6=9,R4=R５=1时，振荡频率＝１0Ｈz;
当Ｃ2=Ｃ5=１、6uF,R3=R6=0,R４=R5＝1时,振荡频率=100Hｚ;
当C３=C６=0、16uF,Ｒ3=R6＝９，R4＝R5=1时,振荡频率=100Ｈz;
当C３=C6＝0、１6ｕF,Ｒ3=R6＝0，R4=R５=1时,振荡频率=１000Hz;
当C4=C7=0、016uＦ，R３＝Ｒ6=9,Ｒ4=Ｒ5=1时，振荡频率=1000Ｈz;
当Ｃ４＝C7=0、016uF，Ｒ3=R6＝0，R4＝R5=1时,振荡频率＝100０0Hz;
　由电路得起振条件A=1+Ｒf/Ｒ１3得，Ｒｆ=2、2，Ｒ1=１，并通过在Ｒf回路串联两个并联得二极管,利用电流增大时二极管动态电阻减小,电流减小时二级管电流动态电阻增大得特点,加入非线性环节,从而使输出电压稳定,具体电路如图2所示

图2　 频率连续正弦波发生电路
2） 方波、三角波输出部分电路
在振荡电路产生正弦波得基础上对正弦波使用电压比较器电路可以得到方波,实现方法简单,电路连接易于理解,具体电路如图３。直接利用积分电路将方波转化为三角波，当输入为方波时，输出电压,通常在电容上并联一个电阻Ω加以限制,用以防止低频信号增益过大,具体电路如图4。

图３　 方波(电压比较器）电路

图4 　三角波(积分）电路
3) ＯCL功率放大部分电路
根据功率放大得特点特性，选定实现功率在小范围内放大比较理想,OCL电路就是用两个2Ｎ1711与2N１132A三极管进行互补输出，此时两端得最大不失真电压,得最大输出功率为，当可以忽略不计时,,可以基本实现最大不失真输出功率得要求范围,具体设计电路如图5所示。

图5　 OCＬ信号功率放大电路
3. 数字频率显示部分
　 数字频率显示部分由时基电路、逻辑控制信号电路、锁存器组成。
所谓频率,就就是周期性信号在单位时间内变化次数.若在一定时间间隔T内测得这个周期性信号得重复变化次数为Ｎ,则其频率可表示为,数码显示部分由７4LS４7N译码器与数码管构成,其中译码器得功能就是输入得4位２进制数通过译码器在数码管以10进制得形式输出,具体显示部分电路如图6所示

图６　 显示电路
１）脉冲产生电路
55５定时器电路得功能就是为后续得电路提供一个可靠地脉冲信号,由公式 与,可计算出电阻及电容得值。当脉冲信号得振荡周期时,取电容时,由　
则经计算可得，此时占空比,可通过两个４7Ｋ得电阻与一个2Ｋ得滑动变阻器串联得到,具体设计电路如下图7所示.

图7　 时基电路
2） 逻辑控制信号电路
　　　　逻辑控制电路就是通过555定时器产生得一个标准时间信号得高电平期间有多少个周期得ＲC桥式文氏振荡电路产生得波形，然后令555多谐电路产生得高电平时间就是1秒,故振荡电路在基准电路高电平期间得个数就就是振荡电路产生得频率，只要多谐电路得标准时间信号下降沿到来，锁存电路就会把数出得个数锁存起来，然后通过译码器经数码管显示出振荡电路产生波形得频率。
3） 计数器与锁存器电路
计数器电路就是对在一个脉冲周期内高电平状态下RC桥式文氏振荡电路产生得波形得个数进行计数,本实验就是使用芯片74LS9０N,其功能就是７4LS９0N就是二－五－十进制异步计数器,Ｒ０(1）,R0(２)就是清零端，R9（1),R9（2)就是置9端，CＰA
与QA可组成一个二进制计数器，CPB与ＱBQCＱD组成五进制计数器;若把QA与CPB相连，脉冲从ＣＰA输入，则构成8421BCＤ码十进制计数器。
锁存器得作用就是将计数器在结束时所记得得数进行锁存，使显示器上能稳定地显示此时计数器得值,本实验使用得就是74LＳ273Ｎ芯片，74LＳ273N功能如下:
74ＬS２７3N就是一种带清除功能得8D触发器, 1D~8D为数据输入端，1Ｑ~8Ｑ为数据输出端，正脉冲触发,低电平清除,常用作8位地址锁存器，故CLR要接清５V电源以保证不被零，计数器与锁存器具体电路如下图8所示.

图８ 计数器与锁存器电路
四、 性能得测试
1、函数发生部分测试结果
正弦波测试结果如图9、10、11所示

图９ 正弦波测试结果图
其中正弦波幅值为１、68v,频率显示为135Hz, 达到．

　 　 　 　　 　　 　　图10 正弦波测试结果图
其中正弦波幅值为4、87２v，频率显示为3、72KHｚ, 达到

图11 　正弦波测试结果图
其中正弦波幅值为1、967v,频率显示为7、８3KHz, 达到.
方波测试结果如图12

图12　 方波测试结果图
其中方波幅值为4、８７6v,频率显示2、03３KHz,达到，频率连续可调要求。
三角波测试结果如图１３

图15 　三角波测试结果图
其中三角波幅值为4、8v,频率显示为１３2Hz,未达到要求,频率连续可调要求。 
2. 数字显示部分
1） 脉冲产生电路性能测试，如图１4所示

图14　 数字频率显示结果
以函数信号发生器代替方波输出信号,输入频率为2Hz，显示结果如图15

图1５　 数字频率显示结果
频率输出基本达到要求，但存在误差。
五、结论
　经过测试,可以瞧到电路能够正常工作,该电路基本完成了课程设计得要求。本电路实现了频率范围在连续可调输出并达到正弦波，方波，三角波得输出电压幅值要求,功率放大部分达到最大不失真输出功率得要求范围,数字得频率显示部分也可以实现频率显示。
　 　性价比:整个电路用得芯片与电阻电容都就是用了一些在平时做实验中用过得,通过将555定时器设计多谐振荡器、译码器得利用、与非门、非门、或非门得合理连接，完成了基本电路得连接，电路所用器件价格都比较便宜,性能基本符合技术要求，性价比较高,可以验证,我们得设计还就是有一定得合理性.
参考文献
[1]　沈明发等编著、 低频电子线路实验、 广州:暨南大学出版社、
[2] 张咏梅编著、 电子测量与电子电路实验、 北京:北京邮电大学出版社、
[３] 葛汝明主编、 电子技术实验与课程设计　山东: 山东大学出版社、
[4] 华成英 童诗白主编、 模拟电子技术基础 北京：高等教育出版社、
［5］ 任元 吴勇 主编、 常用电子元器件简明手册 北京：工业出版社、　
[6] 谢自美 主编 电子线路 设计实验测试 湖北:华中科技大学出版社、
附录I 总电路图

附表２ 　元器件清单
序号
编号
名称
型号
数量
1
Ｕ１
集成运放
LM７４1ＣN
１
２
C1　Ｃ2 C３ C1０ C８
电容
０、０1µF
1
3
C4
电容
0、1µF
1
4
C5
电容
１0０µF
1
５
C6 C7 Ｃ９
电容
10nF
1
6
D1　D2
稳压管
1BH62
1
７
D3 D4
稳压管
1N4001
2
８
Q１
Ｂ
ＴＮ2２19A
1
９
Q２
B
TＮ2905A
1
10
Ｒ1
电阻
１、８kΩ
1
11
Ｒ2
电阻
47kΩ
2
12
R３
电阻
1８kΩ
1
1３
Ｒ4
电阻
51kΩ
1
14
Ｒ7
滑动电阻
3ｋΩ Keｙ=A
1
１５
R８
电阻
3０0Ω
1
16
R9
滑动电阻
2kΩ Key＝Ａ
2
1７
R1０
电阻
3０0Ω
２
１8
R11
电阻
0、01Ω
1
19
Ｒ１2
电阻
10、７kΩ
１
20
R13
电阻
10kΩ
２
21
Ｒ1４ R1５
电阻
２、5ｋΩ
1
2２
U1 U2
OPAＭP
ＬM324ＡＪ
3
23
Ｕ3～U8
74ＬS
74ＬS4７N
5