UA741+LM339+LM324函数发生器设计 -

方案一：可以按照方波——三角波——正弦波的顺序来设计电路，其中，方波通过数电中的555 多谐振荡电路来产生，方波到三角波为积分的过程，三角波到正弦波可以通过低通滤波来实现，也可以利用差分放大器的传输非线性来实现或者通过折现法来实现。

方案二：主要是应用集成运放Ua741芯片，其芯片的内部结构是由4个集成运放所组成的通过RC电桥可产生正弦波，然后通过放大器构成比较器来实现方波的转换，再通过积分电路完成构建三角波。

方案一：此电路方案能实现基本要求和扩展总分的功能，电路较简单。

方案二：555定时器所构成的多谢振荡器产生方波是一种很常用的信号发生器，具有很大的实用价值，价格低廉。555 多谐振荡器的频率很好计算和调节，输出电压幅值的改变可通过对555定时器的供电的改变来实现，对于占空比，已对原始的多谐振荡器做了些许改动，能达到50%的要求。固输出的波形比较准确；方波到三角波的转化可通过积分电路来实现；角波到正弦波可通过简单RC低通滤波器来实现也可通过折现法或者差分法来实现。

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设方法，先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。由集成运放构成的正弦波、方波和三角波发生器有多种形式。

它是低成本的四路运算放大器，具有真正的差分输入。在单电源应用中，它们与标准运算放大器类型相比具有几个明显的优势。该四路放大器可以工作于低至3.0 V或高达32 V的电源电压，静态电流是MC1741的五分之一左右（每个放大器）。共模输入范围包括负电源，因此在众多应用中无需外部偏置元器件。输出电压范围也包括负电源电压。

应用领域包括传感器放大器，直流增益模块和所有传统的运算放大器可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。

短路保护输出
　　真正的差分输入级
　　单电源供电：3.0 V至32 V（LM224、LM324、LM324A）
　　低输入偏置电流：100 nA最大值（LM324A）
　　每个封装有4个放大器
　　内部补偿
　　共模范围扩展至负电源
　　行业标准的引脚分配
　　输入端的ESD钳位提高了可靠性，且不影响器件工作
　　提供无铅封装

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。[1]

电路见附图。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由R1、R2组成1/2V+偏置，C1是消振电容。

放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定Rf。Co和Ci为耦合电容。[1]

见附图。同相交流放大器的特点是输入阻抗高。其中的R1、R2组成1/2V+分压电路，通过R3对运放进行偏置。

电路的电压放大倍数Av也仅由外接电阻决定：Av=1+Rf/R4，电路输入电阻为R3。R4的阻值范围为几千欧姆到几十千欧姆。[1]

物理量的感测在一般应用中，经常使用各类传感器将位移、角度、压力、与流量等物理量转换为电流或电压信号，之后再由量测此电压电流信号间接推算出物理量变化，以达成感测、控制的目的。但有时传感器所输出的电压电流信号可能非常微小，以致信号处理时难以察觉其间的变化，故需要以放大器进行信号放大以顺利测得电流电压信号，而放大器所能达成的工作不仅是放大信号而已，尚能应用于缓冲隔离、准位转换、阻抗匹配、以及将电压转换为电流或电流转换为电压等用途。现今放大器种类繁多，一般仍以运算放大器。

本实验采用的集成运放型号为μA741，引脚排列如图7－1所示，它是八脚双列直插式组件，②脚和③脚为反相和同相输入端，⑥脚为输出端，⑦脚和④脚为正、负电源端，①脚和⑤脚为失调调零端，①⑤脚之间可接入一只几十KΩ的电位器并将滑动触头接到负电源端。 ⑧脚为空脚。

　　理想运放组件，当输入信号为零时，其输出也为零。但是即使是最优质的集成组件，由于运放内部差动输入级参数的不完全对称，输出电压往往不为零。这种零输入时输出不为零的现象称为集成运放的失调。

输入失调电压U0S 是指输入信号为零时，输出端出现的电压折算到同相输入端的数值。

失调电压测试电路如图7－2所示。闭合开关K1及K2，使电阻RB短接，测量此时的输出电压U01 即为输出失调电压，则输入失调电压

实际测出的U01可能为正，也可能为负，一般在1～5mV，对于高质量的运放U0S在1mV以下。

输入失调电流I0S 是指当输入信号为零时，运放的两个输入端的基极偏置电流之差，

输入失调电流的大小反映了运放内部差动输入级两个晶体管β的失配度，由于IB1 ，IB2 本身的数值已很小（微安级），因此它们的差值通常不是直接测量的，测试电路如图7－2所示，测试分两步进行

　a、闭合开关K1及K2，在低输入电阻下，测出输出电压U01 ，如前所述，这是由输入失调电压U0S 所引起的输出电压。

　b、断开K1及K2，两个输入电阻RB接入，由于RB 阻值较大，流经它们的输入电流的差异，将变成输入电压的差异，因此，也会影响输出电压的大小，可见测出两个电阻RB接入时的输出电压U02 ，若从中扣除输入失调电压U0S 的影响，则输入失调电流I0S 为

　　集成运放在没有外部反馈时的直流差模放大倍数称为开环差模电压放大倍数，用Aud 表示。它定义为开环输出电压U0与两个差分输入端之间所加信号电压Uid 之比

按定义Aud 应是信号频率为零时的直流放大倍数，但为了测试方便，通常采用低频（几十赫芝以下）正弦交流信号进行测量。由于集成运放的开环电压放大倍数很高，难以直接进行测量，故一般采用闭环测量方法。 Aud的测试方法很多，现采用交、直流同时闭环的测试方法，如图7－3所示。

　　被测运放一方面通过RF、R1、R2完成直流闭环，以抑制输出电压漂移，另一方面通过RF和RS实现交流闭环，外加信号uS经R1、R2分压，使uid 足够小，以保证运放工作在线性区，同相输入端电阻R3应与反相输入端电阻R2相匹配，以减小输入偏置电流的影响，电容C 为隔直电容。被测运放的开环电压放大倍数为

通常低增益运放Aud约为60～70db，中增益运放约为80db，高增益在100db以上，可达120～140db。

　　　　　　　c、输入信号频率应较低，一般用50～100HZ ，输出信号幅度应较小，且无明显失真。

　　集成运放的差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数AC之比称为共模抑制比

共模抑制比在应用中是一个很重要的参数，理想运放对输入的共模信号其输出为零，但在实际的集成运放中，其输出不可能没有共模信号的成分，输出端共模信号愈小，说明电路对称性愈好，也就是说运放对共模干扰信号的抑制能力愈强，即CMRR愈大。CMRR的测试电路如图7－4所示。

　　　　　c、输入信号Uic 幅度必须小于集成运放的最大共模输入电压范围 Uicm

　　集成运放所能承受的最大共模电压称为共模输入电压范围，超出这个范围，运放的CMRR会大大下降，输出波形产生失真，有些运放还会出现“自锁”现象以及永久性的损坏。

　　被测运放接成电压跟随器形式，输出端接示波器，观察最大不失真输出波形，从而确定Uicm值。

　　集成运放的动态范围与电源电压、外接负载及信号源频率有关。测试电路如图7－6所示。

　　改变uS幅度，观察u0削顶失真开始时刻，从而确定u0的不失真范围，这就是运放在某一定电源电压下可能输出的电压峰峰值UOPP。

LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：1）失调电压小，典型值为2mV；2）电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；3）对比较信号源的内阻限制较宽；4）共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；5）差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；6）输出端电位可灵活方便地选用。

LM339集成块采用C-14型封装，外型及管脚排列如图。由于LM339使用灵活，应用广泛，所以世界上各大IC生产厂、公司竞相推出自己的四比较器，如IR2339、ANI339、SF339等，它们的参数基本一致，可互换使用。

LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。

LM339可构成单限比较器、迟滞比较器、双限比较器（窗口比较器）、振荡器等。

LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。

1N4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速，广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离，通讯、电脑板、电视机电路及工业控制电路非常通用的一种高频开关二极管。包括DO35、LL34、SOD323、SOT23、0805封装均有。

75V反向耐压和150mA平均正向电流，非常适合一般场合做普通整流用。4pF的结电容和4nS的反向恢复时间足够满足多数场合使用。非常易于获得，以及价格低廉，通用性极广的一个小信号高频二极管。

电流：正常正向电流 If:150mA ；最大正向电流 Imax:300mA；最大重复峰值电流Ifs:450mA

电压：最大重复峰值电压 Umax:100V；最大连续反向电压 Urrm:75V；最大正向电压 Uf :1V

图11－1为R--C桥式正弦波振荡器。其中RC串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器RW，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1、D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。

　　调整反馈电阻Rf（调RW），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf。如波形失真严重，则应适当减小Rf。

改变选频网络的参数C或 R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。

由集成运放构成的方波发生器和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。图11-2所示为由滞回比较器及简单RC 积分电路组成的方波—三角波发生器。它的特点是线路简单，但三角波的线性度较差。主要用于产生方波，或对三角波要求不高的场合。

调节电位器RW（即改变R2／R1），可以改变振荡频率，但三角波的幅值也随之变化。如要互不影响，则可通过改变Rf（或Cf）来实现振荡频率的调节。

如把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，如图11－3 所示，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。图11－4为方波、三角波发生器输出波形图。由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。

RC正弦波振荡电路是一种低频振荡电路，常用电阻和电容组成选频回路，故这种结构的振荡电路成为RC振荡器。

这种运放正弦波振荡器的工作不需要外加输入信号。这种振荡器就是利用正反馈和负反馈的某些组合把运放驱动到不稳定的状态，这样，输出就不断的来回翻转。振荡的频率和幅度是通过围绕中心运放的那些无源和有源元件共同设定的。运放振荡器被限制在频谱的低频区，因为运放没有足够的带宽，以实现高频下的低相移。

常见的RC振荡电路是RC串、并联式正弦波振荡电路，又称文氏电桥正弦波振荡电路。电路由放大电路，RC串、并联网络所构成，电路部分由同相比例放大电路组成，放大电路的输出电压与输入电压同相，输入信号放大后，再经正反馈送回到输入端。为了稳定输出电压的幅值，为此给电路加入稳幅环节，以稳定输出电压。放大电路—由集成运放和负反馈构成，调节负反馈的深度可以改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的闭环电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。RC串并联选频电路—构成正反馈，以产生自激振荡，改变RC的值使电路输出需要频率的波形。~ 6 ~ 3.3

要有足够的反馈量，使反馈电压信号与输入信号在数值上相等，才能够维持振荡，，即幅度条件为：|AF|=1 相位条件和幅度条件是产生自激振荡必不可少的两个条件。需要注意的是，在实际的振荡电路中，并不是通过开关起振的。由分析可以知道，为保证电路的起振，幅度条件必须满足AF|>1。

2) 调零。为提高运算精度，在运算前，应首先对直流输出电位进行调零，即保证输入为零时，输出也为零。当运放有外接调零端子时，可按组件要求接入调零电位器RW，调零时，将输入端接地，调零端接入电位器RW，用直流电压表测量输出电压U0，细心调节RW，使U0为零（即失调电压为零）。如运放没有调零端子，若要调零，可按图所示电路进行调零。

一个运放如不能调零，大致有如下原因：① 组件正常，接线有错误。② 组件正常，但负反馈不够强（RF／R1 太大），为此可将RF短路，观察是否能调零。③ 组件正常，但由于它所允许的共模输入电压太低，可能出现自锁现象，因而不能调零。为此可将电源断开后，再重新接通，如能恢复正常，则属于这种情况。④组件正常，但电路有自激现象，应进行消振。⑤组件内部损坏，应更换好的集成块。

　3) 消振。一个集成运放自激时，表现为即使输入信号为零，亦会有输出，使各种运算功能无法实现，严重时还会损坏器件。在实验中，可用示波器监视输出波形。为消除运放的自激，常采用如下措施

　①若运放有相位补偿端子，可利用外接RC补偿电路，产品手册中有补偿电路及元件参数提供。②电路布线、元、器件布局应尽量减少分布电容。③在正、负电源进线与地之间接上几十μF的电解电容和0.01～0.1μF 的陶瓷电容相并联以减小电源引线的影响。

电路连接完成之后对电路进行调试和检测，发现和纠正涉及方案的不足之处。

在调试和测试之前对电路进行检查，对照原理图按顺序一一检查，以免遗漏。以原件作为中心开始检查，把每个元器件的引脚依次检查，看是否有接错线或漏接等问题，用万用表适当的档位对线路进行测试，观察线路是否有短路或断路等问题，若出现问题立刻进行改进。

为了保证效果，减少误差，提高精度需注意：1.正确使用测量仪器的接地端。2.仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。3.测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为若测量仪器输入阻抗小，3.时，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小也不同。5.调试过程中不但要认真观察和测量，还要记录，进一步发现电路设计上的问题，完善设计方案。6.调试出现故障时要认真查找故障原因，不要一遇到问题就拆线重新安装。

1.测试电路观测不到波形。原因分析：a.电路连接出现问题，例如：导线短路，未接地线或者电源线等；b.芯片为不合格品；c.杂波干扰，导致波形不能正常输出。解决方案：a.仔细检查电路，可通过借助万用表等工具测试线路问题；b.换另一块合格芯片c.添加滤波电路滤除杂波。

2.频率增大时，正弦波和方波幅度不变，三角波幅度明显减小。原因分析：积分电路的积分时间常数通常是保持不变的，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。解决方案：改变积分时间常数的大小。同步减小C1或者Rw1，延长积分时间。

3.三角波顶部或底部失真。原因分析：a.方波信号边沿失真。b.积分电路时间常数选取不当。解决方案：a.在方波信号输出端增加稳幅电路。b.改变积分时间常数的大小，或者选择一大电阻（300K左右）与积分电容C1并联，调节三角波线性度。

4.在方波及三角波正常输出情况下，正弦波失真或输出不正常。原因分析：a. 三极管连接错误或三极管已坏，导致波形不能输出；b.测试线连接错误；c.滑动变阻器未调节好。解决方案：a.取出三极管将工作正常的三极管重新焊接好；b.修改输出线路c.利用相关工具调节滑动变阻器使之处于正常输出状态。

5.在此通过对简易信号发生器的设计和调试，发现其产生的正弦波、方波和三角波均存在不同程度的失真。为了改善频率较大时方波产生的失真情况，采用高速率运放或者减小正弦波的频率来解决。为了改善三角波的失真情况，采用增大积分电阻R或者积分电容C，也可以采用减小方波的幅值，即在过零比较器的输出端接双向稳压管，限制输出方波的幅度在一定范围内。经过分析和改进，完善了简易信号发生器的设计，改善了3种波形的失真情况。

实验中测试结果与理论计算值存在一定的偏差，产生偏差原因主要是因为实际电路参数不可能完全与仿真参数一致。

虽然存在一定的误差，但实验结果可以近似对电路的特性做出表征，正弦振荡电路中随着可变电阻变化，正弦波输出波形不断发生变化，电路接入稳压二极管时，随着可变电阻变换，达到稳压值波形幅度无法继续增加，出现切顶切底的失真，去掉二极管时，波形幅度不断增加，直至超出线性工作区而出现失真。

误差分析：1.示波器，万用表本身的准确度而造成的系统误差。2.测的纹波电压时示波器造成的误差。3.测得输出电阻时接触点之间的微小电阻造成的误差。