简易信号发生器课程设计.docx

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简易信号发生器课程设计

数字电子技术基础课程设计报告

设计题目：

简易函数信号发生器

完成人：

王鹏仇佳慧

班级：

13表一

学号：

201314040108201314040109

指导教师：

许金刚

成绩：

一、设计任务和要求

（1）电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；

（2）输出信号的频率要求可调；

二、设计内容

设计一个电路能够产生正弦波、方波和三角波等三种波形。

三、主要参考资料

模电电子技术基础（第四版）

清华大学电子学教研组编童诗白华成英主编高等教育出版社

内容

一，函数发生器总方案及原理框图

1.1原理框图

1.2函数发生器的总方案

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）。

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，

本课题中函数发生器电路组成框图如上图所示：

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

二，各部分电路设计及总电路图

3.1方波发生电路的工作原理

用迟滞比较器构成的方波产生电路如图3-1所示，图中，R和C为定时元件，构成积分电路它把输出电压反馈到集成运算放大器的反向端，RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络。

通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。

比较器主要部件为uA741芯片（相关信息将在后续章节介绍）。

当Uo=UoH=+Uz时,电容C充电，电流流向如图3-1（a）所示，电容两端电压Uc不断上升，而此时同相端电压为上限门UT+。

当Uc＞UT+时，输出电压变为低电平Uo=UoL=-Uz,使同向端电压变为下限门电压UT-，然后电容C开始放电，电流流向如图3-1（b）所示，电容上的电压不断降低，当Uc降低到Uc＜UT-时，Uo又变为高电平UoH,电容又开始充电但是，上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

（a）（b）

图3-1方波产生电路

3.2方波---三角波转换电路的工作原理

如果用线性积分电路代替方波产生电路的RC积分电路，则电容器两端就可获得理想的三角波输出。

其电路图如3-2所示。

波形如图3-3所示。

若反馈网络断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。

运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。

比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0

图3-2方波——三角波产生电路

图3-3电路输出波形

时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。

设Uo1=+Vcc,则

（3-2-1）

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为

（3-2-2）

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为

（3-2-3）

比较器的门限宽度（3-2-4）

反馈网络断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为　（3-2-5）

　时，（3-2-6）

时，（3-2-7）

可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图3-2所示。

反馈网络闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波、三角波。

三角波的幅度为（3-2-8）

方波-三角波的频率f为（3-2-9）

3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理

图3-4三角波——正弦波电路图

三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

（3-3-1）

式中　　

：

差分放大器的恒定电流（约为1mA）。

：

温度的电压当量，当室温为25℃时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

　　　　　（3-3-2）

式中　　Um：

三角波的幅度。

　　T：

三角波的周期。

3.4电路的参数选择及计算

1差分放大器元件参数确定

输出电压为0.5=1/2=0.5V,取,则IcQ=0.5V/1KΩ=0.5mA，,取,则,得。

2三角波-正弦波部分

比较器A1与积分器A2的元件计算如下：

由式（3-2-8）得即。

取，则，取，RP1为47KΩ的点位器。

区平衡电阻。

由式（3-2-9）

即（3-3-3）

当时，取，则，取，RP2为100KΩ电位器。

当1KHz≤f≤10KHz时，取以实现频率波段的转换，R4及RP2的取

图3-5波形变换

值不变。

平衡电阻取8.2KΩ。

三角波—>正弦波变换电路的参数选择原则是：

隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取，滤波电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。

RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。

差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R确定。

简易信号发生器EWB总电路图

三，EWB电路仿真及仿真结果

4.1方波---三角波发生电路的仿真

图4-1方波仿真图

图4-2三角波仿真图

图4-3方波——三角波仿真图

4.2三角波---正弦波转换电路的仿真

图4-4正弦波仿真图

图4-5三角波——正弦波仿真图

4.3方波——三角波发生电路的仿真结果

表4-1方波、三角波实验数据

表4-2方波图形结果分析

要求数据

仿真结果

4.4三角波——正弦仿真测试结果

表4-3三角波、方波实验数据

表4-4波形转换电路的实验结果

模拟仿真

Ic1=Ic2=0.5mA

四，电路板的制作

1．安装方波——三角波产生电路

1）把两块741集成块插入面包板（或PCB板），注意布局；

2）分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

3）按图接线，注意直流源的正负及接地端；焊好各结点，注意焊接质量与焊点的大小。

2.按装三角波——正弦波变换电路

1）在面包板（PCB板）上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；

2）搭生成直流源电路，注意R的阻值选取；

3）接入各电容及电位器；

4）按图接线，注意直流源的正负及接地端；焊好相关结点。

按要求接入相应的插座供电源的接入，连接好各接地线路，电路板即制作完毕。

简易信号发生器PCB总电路封装图

简易信号发生器PCB总电路原理图

五，电路板的调试与误差分析

6.1方波——三角波发生电路的调试

1.接入电源后，用示波器进行双踪观察。

2.调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求。

3.调节RP2，微调波形的频率。

电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。

若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围。

4.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。

三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。

电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

5.观察示波器，各指标达到要求后进行下一步安装。

6.2三角波——正弦波转换电路的调试

1.接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点。

2.测试V1、V2的电压值，当不相等时调节RP4使其相等。

3.测试V3、V4的电压值，使其满足实验要求。

4.在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压。

为使输出波形更接近正弦波，由图3-5可见：

（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区；

（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。

电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

6.3总电路的调试

1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察。

2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值等于1V。

6.4调试中遇到的问题及解决方法

方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。

1、方波-三角波发生器的装调

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，这两个单元电路可以同时安装。

需要注意的是，安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，应先使RP1=10KΩ,RP2取（2.5-70）KΩ内的任一值,否则电路可能会不起振。

电路接线正确，通电后，UO1的输出为方波，UO2的输出为三角波，微调RP1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。

2、三角波---正弦波变换电路的装调

（1）经电容C4输入差模信号电压Uid=1v，Fi=100Hz正弦波。

调节Rp4及电阻R,使传输特性曲线对称。

再将C4左端接地，测量差份放大器的静态工作点I0,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.

（2）Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。

如果Uo3的波形出现几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生失真的原因及采取的措施有：

1）钟形失真传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。

2）半波圆定或平顶失真传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R。

3）非线性失真三角波传输特性区线性度差引起的失真，主要是受到运放的影响。

可在输出端加滤波网络改善输出波形。

6.5误差分析

1.方波的误差分析

图6-2所示的波形为改换0.01uF时候的方波信号失真图

（1）方波输出电压，因为运放输出级是由NPN型或者PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止和饱和导通，导通时输出电阻的影响，使方波输出幅度小于电源电压值。

（2）方波的上升时间，主要受运放转换数率的限制。

如果输出频率较高，则可接加速电容，与,并联。

从而改变转换数率。

可接加速电容C1，一般取C1为几十皮法。

用示波器或脉冲示波器测量T

2.三角波的误差分析

图6-3所示为三角波的信号图。

三角波的幅值没有达到稳定的输出值6V，通过调节大小可以得到想要的波形幅值。

3.正弦波的误差分析

图6-1所示的波形为正弦波的平顶失真，通