摘要：函數發生器是一種能夠產生多種波形的儀器，已有相當長的發展歷史。它所提供的信號源是使用最廣的通用信號源,給人們的教學、科研和生產檢測都提供了強大的幫助,人們對它的研究也在不斷進行。本文設計的函數發生器將在一定頻率范圍內，采用比較器、積分器以及差分放大器等分立元件進行實現,具有電路設計簡單、使用靈活、頻率范圍可以擴展等優點。
　　關鍵詞：比較器，積分器，差分放大電路
　　引言
　　函數發生器一般是指能自動產生多種波形的電路或者儀器。它所提供的信號源是使用最廣的通用信號源，如正弦波、鋸齒波、方波、脈沖串等波形。一臺功能較強的函數波形發生器，不僅能夠產生多種波形，還具有掃頻及頻率計等功能。函數發生器在學生的實驗、科研及設備檢測中都有十分廣泛的用途。本文設計的函數信號發生器體積小、功耗少、價格低，最主要的是它的輸出波形較為靈活，可供選擇。
　　1函數發生器的基本原理
　　函數發生器的電路形式可以采用由運放及分離元件構成，也可以采用單片集成函數發生器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，本設計采用由集成運放及分離元件構成的方法來設計函數發生器，使其能夠產生三種波形，即方波、三角波和正弦波。
　　函數發生器的原理框圖如圖1所示。
　　
　　作者簡介：馬貞（1984-），女，河南鄭州人，助教，大學本科。研究方向：電路與系統
　　
　　
　　圖1函數發生器的原理框圖
　　從圖1中可以看出，函數發生器主要由比較器、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、積分電路和反饋網絡組成了振蕩器，積分器產生的三角波送到比較器的輸入端，經過比較器又產生方波。積分器產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換為正弦波[1]。在本次的設計中，要求要有兩個頻率波段（1~10Hz,10~100Hz）生成，因此在積分電路中采用單刀雙擲開關來切換兩個容量不同的積分電容，實現兩個頻率范圍之間的轉換。
　　2各部分電路設計
　　2.1方波——三角波轉換電路設計
　　下面主要介紹由方波到三角波的轉換。圖2中，模擬信號經過遲滯比較器輸出方波信號，若要生成三角波信號，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——三角波轉換電路，如圖3所示。
　　
　　圖2方波——三角波轉換電路
　　由圖2可見，信號Uo1接入積分器的反相輸入端。此反相積分器由運算放大器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Uo1=+VCC時，電容C2被充電，電容電壓UC2的上升規律為線性上升，Uo2與UC2的極性相反，則
　　
　　即Uo2線性下降。當Uo2（即Ui）下降到Uo2=UTH2時，比較器IC1的輸出Uo1狀態發生翻轉，即Uo1由高電平+VCC變為低電平-VEE，于是電容C2放電，電容電壓UC2線性下降，
　　
　　即Uo2線性上升。當Uo2（即Ui）上升到Uo2=UTH1時，比較器IC1的輸出Uo1狀態又發生翻轉，即Uo1由低電平-VEE變為高電平+VCC，電容C2又被充電，周而復始，不停地振蕩。Uo1輸出是方波，Uo2輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形關系如圖3所示。
　　
　　圖3三角波與方波的關系圖
　　2.2三角波——正弦波轉換電路設計
　　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差分放大電路實現三角波-正弦波變換的原理圖
　　由圖4可以看出，傳輸特性曲線越對稱，線性區域越窄，則輸出的正弦波形越好；三角波的幅度ΔUTH應正好使晶體接近飽和區域或者截至區域。差分放大器工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強，可以有效地抑制零點漂移。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式為：
　　
　　
　　式中≈為差分放大器的恒定電流；UT為溫度的電壓當量。當室溫為25℃時，UT≈26mV。
　　根據理論分析，如果差分電路的差模輸入Uid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，從而實現了三角波到正弦波的變換。
　　在圖5所示的電路中，電位器RP3用于調節輸入三角波幅度，RP4用于調節電路的對稱性，RE1可以減小差動放大器傳輸特性的線性區。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結論
　　本文用到的有抗干擾能力強的遲滯比較器，積分器和差分放大電路。其設計難點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行波形的變換。此外，還有多種方法可實現這一變換。如可以用二極管折線近似電路或單片集成函數發生器實現變換。這些方法可根據設計要求的不同進行選擇應用。
　　另外，在信號頻率段的控制上，本設計實現了在兩個不同的頻率段之間的切換。那么根據主要原理，多個頻率段之間的切換同樣可以實現，只需要采用一個多路的模擬開關，通過參數計算，選擇不同的電容值即可。
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