低频函数信号发生器的设计
一、设计任务
设计一个低频函数信号发生器。 二、 设计要求
1.同时输出三种波形：方波、三角波、正弦波 2.频率范围：10 Hz ~10 kHz；
?3?ff?10日； o 3.频率稳定度：
4.频率控制方式：
（a）通过改变RC时间常数控制频率（手控方式）； （b）通过改变控制电压U1实现压控频率（即VCF），常用于自控方式。即
，为确保良好的控制特性，可分三段控制： f?f(U1)（U1=1~10V）
① 10 Hz ~100 Hz ② 100 Hz ~1 kHz ③ 1 kHz ~10 kHz
5.波形精度：
①方波 上升时间和下降时间均应小于2?s【如图8-1 (a)】； ②三角波 线性度：
?； ?1%【如图8-1 (b)】
Uom ③正弦波 谐波失真度：
?U/U<2%（U为基波有效值，U为各次谐波
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ni?2有效值）。
6.输出方式：
（a）作电压源输出时，要求：
① 输出电压幅度连续可调，最大输出电压（峰峰值）不小于20V； ② 当RL=100Ω~1KΩ时，输出电压相对变化率
Ro?1.1?)。
?Uo?1% (即要求Uo （b）作电流源输出时，要求：
① 输出电流连续可调，最大输出电流（峰峰值）不小于200 am； ② 当RL=0~90Ω时，输出电流相对变化率
?Io?1%Io(即要求Ro?9k?)。
（c）作功率输出时，要求最大输出功率Pomax?1W（RL=50Ω时）。 7.具有输出过载保护功能
当因RL过小而使IO > 400 mA (峰-峰值)时，输出三极管自动限流，以免损坏电路元器件。
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8.采用数字频率显示方式。
图8-1 方波、三角波的技术指标
三、方案讨论
根据实验任务的要求，对信号产生部分，一般可采用多种实现方案：如模拟电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合的实现方案等。
数字电路的实现方案，一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。这种方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频（如>1MHz）信号。
模数结合的实现方案，一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。
模拟电路的实现方案，是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。
对于信号产生电路的模拟电路实现方案，也有几种电路方式可供选择。如用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，电路框图如图8-2所示。这种电路结构简单，并具有良好的正弦波和方波信号。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。
另一种电路方式是，由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，电路框图如图8-3所示。这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。该电路方式是本实验信号产生部分的推荐方案。
根据实验任务中对输出电压、输出电流及输出功率的要求，原则上在输出级只需采用不同的负反馈方式便可。即要求电压输出时，采用电压负反馈；要求电流输出时，采用电流负反馈。这也将在单元电路分析中进行详细介绍。
由所选方案及组成电路的形式，可以初步分析该实验在实现上述技术指标时的关键和困难之处。由于三角波的线性度、正弦波信号的谐波失真度都需要专用测试设备进行检测，在学生实验室一般不具备这样的条件。因此，在实验的设计、
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制作及测试过程中，应该重视对它们的分析和理解，以便了解影响这些技术指标参数的电路形式、组成电路的元器件、改善和提高这些技术指标的方法和措施。对于方波信号的上升时间和下降时间，则可用实验室中的示波器进行检测，该项技术指标也是本实验的一项重要和关键的参数。因此，在设计三角波、方波发生器和输出放大电路时，要特别注意与该指标有关参数的选取。
图8-2模拟电路实现方案1
图8-3模拟电路实现方案2
四、单元电路分析
1.三角波、方波发生器 （1）比较器＋RC电路
由运算放大器A、R0、R1、R2、DZ1和DZ1组成的滞回比较器与RC电路组成的三角波、方波发生器电路如图8-4所示。其输出电压Uo和电容器C上的电压Uc如图8-5所示。
图8-4比较器＋RC电路 图8-5比较器＋RC电路波形 由波形图可以看出，在比较器没有翻转之前，Uo为一常数（如Uo??VZ）。Uo通过R对C充电，Uc由逐渐上升，随着Uc的增大，R两端的电压将逐渐下降，故充电电流ic也将不断减小，使Uc上升速度减慢，从而使Uc形成了典型的RC电路的充放电波形（按指数规律变化）。这样的Uc由于线性度非常差，
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?R1VZR1?R2