北京邮电大学电子电路综合设计实验报告函数信号发生器.docx
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北京邮电大学电子电路综合设计实验报告函数信号发生器
北京邮电大学
电子电路综合设计实验报告
课题名称：
函数信号发生器
学院：
信息与通信工程学院
班级：
姓名：
学号：
班内序号：
课题名称：
函数信号发生器
摘要：
信号发生器在生产实践和科技领域中有着广泛的作用。
本实验要求设计和制作一个能够产生方波、三角波、正弦波的函数信号发生器。
要求三种波形的幅度达到要求的标准，三者的频率在给定的区间内连续可调，并且波形没有明显的失真情况。
学生根据原理设计电路并通过计算选择适当的电阻阻值和电容大小。
关键词：
方波，三角波，正弦波
一、设计任务要求
1．基本要求：
设计制作一个方波-三角波-正弦波信号发生器，供电电源为12V和-12V。
（1）输出频率能在1-10KHz范围内连续可调；
（2）方波输出电压Vopp=12V（误差小于20%），上升、下降沿小于10us；
（3）三角波Vopp=8V（误差小于20%）；
（4）正弦波Vopp
1V，无明显失真。
2．提高要求：
（1）将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可调范围为30%-70%；
（2）三种波形的输出峰峰值Vopp均可在1V-10V范围内连续可调。
二、设计思路和总体结构框图
1．设计思路：
由运放构成的比较器和反相积分器组成方波-三角波发生电路。
三角波输入差分放大电路，利用其传输特性曲线的非线性实现三角波-正弦波的转换。
从而电路可在三个输出端分别输出方波、三角波和正弦波，达到信号发生器实验的基本要求。
利用二极管的单向导通性，将方波-三角波中间的电阻改为两个反向二极管一端相连，另一端接入电位器，抽头处输出的结构，实现占空比连续可调，达到信号发生器实验的提高要求。
2．总体结构框图：
三、分块电路和总体电路的设计
1.方波-三角波产生电路
电路图：
设计过程：
（1）根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择电压转换速率合适的运算放大器。
方波要求上升、下降沿小于10us，峰峰值为12V。
LM741转换速率为0.7V/us，上升下降沿为17us，大于要求值。
而LM318转换速率为70V/us，上升下降沿为0.17us，满足要求。
故产生方波的比较器用LM318，产生三角波的反相发生器用LM741。
（2）根据所需输出方波幅度的要求，选择稳压值合适的稳压管VDW1、VDW2的型号和限流电阻R0的大小。
输出方波幅度要求为12V，所以选用稳压值为6V的稳压管。
R0作用为限流，选择的阻值不能太大，此处选择2kΩ。
（3）根据输出三角波的幅度要求，确定R1与Rf的大小。
方波经积分得到三角波，幅度为U02m=
（UZ+UD），要求中三角波峰峰值为8V，UZ+UD=6V，所以R1和Rf的比值为2：
3，故选取R1为20KΩ，Rf为30KΩ。
R3为平衡电阻，阻值为R1和Rf并联的值，故R3取12KΩ。
（4）根据所要求的振荡频率确定R2和C的大小。
方波和三角波的振荡频率相同，为f=
=
，式中R2为本试验中的R5，C为本实验中的C1。
此处选择C1为6800pF，R5为4.7kΩ。
R4为平衡电阻，应与R5一致故为4.7kΩ。
2.三角波-正弦波电路
电路图：
设计过程：
静态工作点：
Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β≈Ic4=Ic3
Ic4=Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/（R15+R14）
（1）设定静态工作点的要先确定Ic3，本实验中，取Ic3为1mA，故取R15=20KΩ，R14=2K；
（2）两管输入对称，故R13=R14=2K。
R8用来调整电路的对称性，不能取太大，选取总阻值为100Ω的电位器；
（3）并联电阻R12用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区，选择100Ω的电阻；
（4）电容C2C3C4为隔直电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，实验中取值33uF。
C5为滤波电容，滤除谐波分量，改善正弦波形，取值20nF；
（5）R6调节三角波的幅度，可调范围应该比较大，故取R6=100kΩ；
（6）R9与R16为平衡电阻，取值为R9=R16=3.3KΩ；
（7）流进T1，T2集电极电流为0.5mA，为满足其正弦波的幅度大于1V，取R10=R11=5.6kΩ，使得电流流经它们的电压降不至于很大。
3.总体电路
电路图：
电路设计：
由于正弦波的产生以三角波为基础，故将前一级方波-三角波电路处三角波的输出接到第二级电路的输入即完成整体电路的连接。
4.扩展功能的设计
电路图
将原电路图的R5改为
这样的结构，利用二极管的单向导电性，电位器的调节使两个方向串接的电阻值不同，使得电容C充电、放电的时间不同，从而实现调节占空比的扩展功能。
四、所实现功能说明
1.基本功能
接入工作电压之后可以分别产生幅度和频率可调的方波、三角波、正弦波。
方波：
三角波：
正弦波：
2.扩展功能
调节占空比：
3.主要测试数据
方波的峰峰值为12.6V，大于实验要求的峰峰值，误差为5%，小于20%，满足实验要求。
上升时间为520ns、下降时间为560ns，均小于10us。
三角波的峰峰值为8.9V，误差为11.25%，小于20%，满足实验要求。
正弦波的峰峰值为4.45V，大于1V，符合要求。
输出方波占空比可调范围大于30%-70%。
但频率的调节范围无法达到要求，只在1-8KHz内连续可调，且在低频部分有失真的情况。
4.必要的测试方法
利用直流电压源产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、幅值、频率、占空比等，用万用表测量电阻的阻值及电容容值。
五、故障及问题分析
故障一：
方波、三角波以及正弦波的波形都成功显示了，但是无法实现在1-10KHz的范围内连续可调。
分析电路发现可能是由于R0过大导致输出的电流太小。
所以将R0改成100Ω，并调节R6和R8两个滑动变阻器。
R6调至69.39Ω，R8调至3.9338Ω。
此时，可以成功地实现在1-10KHz的范围内连续可调，但是在接近10KHz的时候正弦波波形出现了失真的情况，波形接近三角波。
故障二：
正弦波形出现失真的情况。
C5这个电容只选择了20nF的大小，有些小。
将它改为一个6800pF的电容后，失真的情况得到了缓解。
故障三：
电路原先可以成功生成正弦波，但在一次实验中，无法得到方波，电路只能产生类似噪声信号的波形。
于是将电路板重插，确保电阻和电容都接触良好。
重新测量后波形仍未出现。
再次排查错误发现其中一个电阻和一个电容的距离过近而接触在一起，造成短路。
改正后出现了波形。
故障四：
在加上调节占空比的电路后，无法实现频率在1-10KHz连续可调。
分析原因可能是占空比电路的加入造成了电路的不稳定。
六、总结和结论
总结：
这次实验在使用模拟示波器时可以达到要求，但在使用数字示波器的时候并没有达到预期的要求，应该是电路的参数没有设计得很好，而且电路不够稳定。
结论：
这次实验加深了我对实验规范性的认识。
在导线的选择方面，要根据不同的用途选择不同颜色的导线。
一般正电源用红色，负电源用蓝色，地线用黑色；在连接方面，连线应尽量紧贴面包板，尽量横平竖直；在电阻的连接方面，应该用钳子把电阻的接线拉直，这样可以使电路更加稳定。
而且应该尽量让元器件排布得不那么紧密，方面对电路的修改，并避免因为器件过于紧密而造成的故障。
这些都是最基本的实验操作规则。
但是以前并没有充分的重视，在实验的前期给实验造成了一些困难。
同时，这次实验让我对模电知识的了解不仅停留在书本上，而是真正的应用所学的知识设计电路，这加深了我对模电知识的体会。
只有把电路参数设计好，才能做好实验。
附录一MULTISIM绘制的电路原理图、波形图
电路图（含拓展功能）：
方波
三角波
正弦波
调节占空比
附录二所用元器件及测试仪表清单
元器件
R（Ω）
个数
Rw（Ω）
个数
20K
2
10k
2
30K
1
20k
4
12K
1
100
2
4.7K
2
C（F）
个数
5.6K
2
33u
3
3.3K
2
6800p
2
2k
2
100
3
其他：
80504个
2DW2321个
LM3181个
LM7411个
二极管2个
仪器：
函数信号发生器
示波器
万用表
直流稳压电源
附录三实际搭建电路图（含拓展功能）：
参考文献
[1]林家儒等编著《电子电路基础》北京邮电大学出版社2008-1-1
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