210375 陈宸 函数信号发生器实验报告文档格式.docx

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2015年5月1日

函数信号发生器的设计与调测

摘要

使用运放组成的积分电路产生一定频率和周期的三角波、方波（提高要求中通过改变积分电路两段的积分常数从而产生锯齿波电压，同时改变方波的占空比），将三角波信号接入下级差动放大电路（电流镜提供工作电流），利用三极管线性区及饱和区的放大特性产生正弦波电压并输出。

关键词

方波-三角波-正弦波运放积分电路差动放大电路电流镜偏震差动放大器

实验内容

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。

1）输出频率能在１KHZ～10KHZ范围内连续可调。

2）方波输出电压VOPP＝12V（误差<

20%），上升、下降沿小于10μS；

3）三角波Vopp＝8V 

（误差<

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，占空比可挑范围为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。

实验原理

1，方波三角波产生电路

如图所示为方波-三角波产生电路，由于采用了运放组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。

该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管VDW1，VDW2的稳压值决定。

改变R1和Rf的比值可调节Uo2m的大小。

电路与原件的确定：

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放。

根据所需输出方波幅度的要求，选择稳压值合适的稳压管的型号和限流电阻Ro的大小。

根据输出三角波的幅度要求，确定R1与Rf的大小

R1=Uo2m*Rf/（Uz+Ud）

2，电流镜偏震差动放大器的设计

差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛地应用于集成电路中，常作为输入级或中间放大级。

确定静态工作点电流Ic1.Ic2和Ic3

静态时，差动放大器不加输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re

Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β=Ic4=Ic3

上式表明恒定电流Ic3主要有电源电压和电阻R，Re4决定，与晶体管的参数无关。

差模特性

差动放大器的输入和输出各有单端和双端输入两种方式，因此，差动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。

连接方式不同，电路的特性参数不同，各种情况下的差模特性也不同。

3，三角波-正弦波产生电路

三角波-正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥式电路，二极管可变分压器电路和差分放大电路等。

利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波-正弦波变换的过程如图：

可见：

差分放大器传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。

三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。

设计思路、总体结构框图

分段设计，首先产生方波-三角波，再与差动放大电路相连。

分块电路和总体电路的设计

（1）方波-三角波产生电路：

首先，稳压管采用既定原件2DW232，保证了输出方波电压Uo1的峰峰值为12V，基本要求三角波输出电压峰峰值为8V，考虑到平衡电阻R3的取值问题，且要保证R1/Rf=2/3,计算决定令Rf=12K，R1=8K，R3=4.7K。

又由方波的上升、下降沿要求，第一级运放采用转换速度很快的LM318，Ro为输出限流电阻，不宜太大，最后采用1K欧电阻。

二级运放对转换速度要求不是很高，故采用UA741。

考虑到电容C1不宜过小，不然误差可能较大，故C1=0.01uF，最后根据公式，R2取值为3.9k，进而确定平衡电阻R4的阻值。

考虑到电路的安全问题，在滑阻的接地端串接了一个1K的电阻。

通过不断换滑阻的方式确定适当频率要求下Rw的阻值，最后使用的是10K欧的滑阻。

（2）正弦波产生电路：

电容C2，C3，C4为隔直电容，根据电路实际情况，采用10uF即可，调测效果也很好。

C5为滤波电容，需要根据最后的正弦波波形选择最合适的，我的电路最后采用的是6800pF。

T1,T2,T3,T4采用8050NPN管。

根据电路要求电流镜电流为1mA，以保证T1,T2的集电极电流都是0.5mA，由于正负电压的大小都是12V，Re3,Re4又不能太大（有负反馈），故最后令R=20K,Re3=Re4=Re5=5K（其中Re5为电流镜的负载，需要与之匹配）Rp2为调零电阻，100欧就可以。

Rb1,Rb2为差放的基极电阻，对整个放大影响不大，都采用51欧以减小电路输出阻抗。

Rc1,Rc2为集电极负载，需要足够大以保证正弦电压的放大倍数，选择16K欧的电阻。

Rp1理论上是用于调节输出正弦波电压的幅值的，但是实际调测中，它的大小还会影响到前一级电路，在不断调测中决定使用10K欧的滑阻。

（3）提高之三角波幅度可调：

利用三角波产生的原理，改变R1和Rf的比值，在Rf支路上串联一个220K欧的滑阻（实验所给的器材里无更小滑阻，否则用更小的即可），最后可以实现三角波额幅度可调。

电路仿真的实现（Multisim）：

电路图：

方波波形：

三角波波形：

正弦波波形：

所实现功能说明

接入工作电压后可以产生频率、幅度符合要求的方波、三角波、正弦波电压波形。

且三角波的幅度值可调。

主要测试数据为频率F可调节的范围，峰峰值是否符合要求，后级差动放大电路的直流工作点以及频率变化时输出正弦波电压幅值的微小变化。

测试方法：

利用直流电压元产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、幅值、频率等，用电压表测量Re，Rc两端电压，并计算得到二者的工作电流。

故障及问题分析

1、最开始实验时方波的下方波形不稳定，后经检查电路发现方波的输出位置错误，改正后方波波形很好。

2、三角波下降的波形模糊并出现重影现象，经过检查发现是因为R2与C的取值不合适，两者所产生的时间常数比标准差一个数量级，后经改正电路调整到最好状态，输出的波形很合适。

3、方波的峰峰值过低或者过大，稳压管没有起到相应的作用。

通过不断改变Ro的值最终得到满足要求的波形。

、

4、所要求得频率与实际不符，不能达到1k-10kHz，经过不断调整R2与电容C的值，使要求符合。

5、正弦波输出端输出的是三角波电压或是类似于香蕉波的波形，解决方式是调整滤波电容的值，使之达到滤波的效果，最后输出比较圆滑的正弦波。

总结和结论

在这个综合实验中，我有以下收获：

1、对我自身而言:

对于模电的内容有了进一步的了解，将理论与实际结合，更好的提升了学习的水平。

尤其是不断去实验室做实验，让我更加熟悉了器材的使用，上学期是跟着老师一步步走，现在是自己积极主动的去探索，去解决问题。

在从最初的没什么思路，到最后成功的做出来了实验的过程中，我遇到了许多问题，不论是知识方面的还是搭建方面的，通过不断的分析最后得以成功的解决，锻炼了我的思考能力。

2、对于团队而言：

在这次实验中，我们班只有我一个人选择了这个题目，但是还是得到了大家的帮助，遇到问题先自己想解决方法，实在解决不了大家再一起研究、讨论，最后甚至上网查阅相关的资料，锻炼了我的交流能力，更增进了我和同学的感情。

所用元器件及测试仪表清单

元器件

R（Ω）

个数

8K

1

12K

330

2

1K

5K

4

50

18K

3

C（F）

0.01u

10u

6800p

Rw（Ω）

10K

100

220k

80504个

2DW2321个

LM3181个

UA7411个

仪器

函数信号发生器

示波器

晶体管毫伏表

万用表

直流稳压电源

面包板

实验箱

参考文献

[1]北京邮电大学电路中心.电子电路综合设计实验教程.2011

[2]刘宝玲.电子电路基础，高等教育出版社.2006