函数发生器.docx

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函数发生器

摘要

学习了模电课程，为进一步掌握模电的基本理论及实验调试技术，我们选择做题目定为函数信号发生器。

主要采用运算放大器与独立的模拟器件共同组成的正弦波—矩形波—三角波函数发生器的设计方法与调试。

信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。

产生正弦波、矩形波、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矩形波，再由积分电路将矩形波变成三角波；也可以首先产生三角波—矩形波，再将三角波变成正弦波或将矩形波变成正弦波等等。

我们采用正弦波→矩形波→三角波。

关键字：

模拟电子技术基础，正弦波，矩形波，三角波

1总体设计

1.1设计目的及其任务

1.1.1设计目的

（1）引导学生自主性学习、研究性学习，加强团队合作，提高创新意识，实现自主性学习与研究性学习。

（2）通过直流稳压电源的设计和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、稳压器相关元器件。

掌握直流稳压电源电路的调试和相关系数测试的方法。

1.1.2设计任务

1、设计、组装、调试矩形波、三角波、正弦波发生器；

2、输出波形：

矩形波、三角波、正弦波；

3、频率范围：

在15Hz～14KHz范围内可调；

4、占空比可调，并实现矩形波电压幅度可调。

1.2设计原理及其方案

1.2.1设计原理

函数信号发生器要求输出正弦波、矩形波、三角波。

产生正弦波、矩形波、三角波波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成矩形波，再由积分电路将矩形波变成三角波；也可以首先产生三角波—矩形波，再将三角波变成正弦波或将矩形波变成正弦波等等。

1.2.2设计方案

设计方案一：

图1-1方案一原理图

首先由555定时器组成的多谐振荡器产生矩形波，然后由积分电路将矩形波转化为三角波，最后用低通滤波器将矩形波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。

设计方案二：

正弦发生电路

锯齿波电路

矩形波电路

→→→

图1-2方案二原理图

首先产生正弦波，再由过零比较器产生矩形波，最后由积分电路产生三角波。

正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的单门限电压比较器将正弦波转换为矩形波，然后将矩形波经过积分运算变换成三角波。

本次函数信号发生器设计采用方案二进行设计。

2单元电路的设计

2.1正弦波产生电路

正弦波振荡器是一个没有输入信号，依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路，它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。

电路接通电源的一瞬间，由于电路中电流从零突变到某一值，它包含着很多的交流谐波，经选频网络选出频率为fo的信号，一方面由输出端输出，另一方面经正反馈网络传送回到输入端，经放大和选频，这样周而复始，不断地反复，只要反馈信号大于初始信号，振荡逐渐变强起来。

（1）振荡平衡条件

要使振荡器输出信号

维持稳定的输出，必须使再次反馈回输入端信号

和原来输入端的信号

相等，即:

又有

得

由于

所以振荡平衡条件为:

设

则

即：

……………………………………………………幅度平衡条件

…）…………………………………………相位平衡条件

一个振荡器只有同时满足这两个条件，才能振荡。

（2）振荡起振条件

振荡器满足平衡条件时，

输出信号幅度保持不变。

但在振荡器刚开始振荡时，信号非常微弱，如仅是

振荡器将不能起振。

必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号，即

。

振荡才能由弱到强建立起来。

所以振荡起振条件应为

>1。

正弦波产生电路利用RC文氏电桥电路构成，具有电路简单、易起振、频率可调等特点被大量应用与低频振荡电路，所以我们采用RC文氏电桥振荡器产生正弦波。

电子电路图如图2-1所示：

图2-1正弦波产生电路原理图

如图所示，根据设计要求可选择电阻R1，R2均为1k，R23为18k的可调电位器。

电容C1和C2为10nF，D1、D2为DIODE_VIRTUAL型号，采用的集成运放为LM358。

R1、R20、C1、R2、R21、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R23、R24、D1、D2组成同相比例放大器，D1，D2具有稳幅作用。

在此电路中，由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；由R23、D1、D2和R24组成负反馈支路和稳幅环节。

负反馈电路控制运算放大器的增益。

反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。

调节R23为适当值（大约为可调电阻的80%～100%），电路即能起振，输出正弦波，并利用D1、D2的非线性实现稳幅。

并联电阻R24有改善二极管非线形引起波形失真的作用。

在实际应用中，常选取文氏电桥两个支路中的R、C相同，当R选用同轴双连电位器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为:

本电路可以实现15Hz至15KHz的正弦信号输出，若要求更大范围的频率输出，可通过改变文氏电桥中R、C的值来控制调节。

2.2矩形波产生电路

矩形波产生信号电路图如图2-2所示：

图2-2矩形波产生及电压放大电路

如图R3和U2构成单门限电压比较器，可输出电压不变的矩形波信号，R28、R29和U10A构成一个反向比例运算电路，可实现电压的放大，由公式知：

Auf=-（R28+R29w）/（R29-R29w）

其中调节R29可实现矩形波信号电压的放大和缩小，可实现1.5V～2KV的矩形波信号的输出。

若要得到更大的电压幅值，可通过改变R28、R29的电阻值来控制调节。

2.3锯齿产生波电路

锯齿产生波电路如图2-3所示：

图2-3锯齿产生波电路

三角波的产生是由积分电路实现的，积分电路将矩形波转换成三角波。

积分电路的原理图如下：

由于集成运放的反相输入端“虚地”，故

；又由于“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则

，故

由以上几个表达式可得积分电路输入电压和输出电压的关系为：

由于输入的是矩形波，所以的值为两个状态，当>0时，

，输出波形以

的斜率上升，当uI<0时，输出波形以

的斜率下降。

上升和下降的斜率相等所以波形对称，形成三角波。

3仿真与制作

3.1仿真电路

函数信号发生器仿真总电路如图3-1所示：

如图3-1函数信号发生器电路总图

3.2仿真结果

1、正弦波信号仿真

图3-2正弦波信号起振及稳定波形

改变频率后波形如图3-3所示：

图3-3改变频率后正弦波波形

2、矩形波信号仿真

图3-4矩形波信号及电压放大波形

改变频率之后波形如图3-5所示：

图3-5改变频率之后的波形

改变占空比之后波形如图3-6所示：

图3-6改变占空比之后的三角波波形

3、三角波信号仿真

三角波信号如图3-7所示：

图3-7三角波信号波形

改变频率周后波形如图3-8所示：

图3-8改变频率周后的三角波波形

改变占空比后波形如图3-9所示：

图3-9改变占空比后的三角波波形

4课程设计心得体会

通过这次课程设计，培养了我们综合应用课本理论解决实际问题的能力，需要我们将学过的理论知识与实际系统地联系起来，加强我们对学过的知识的实际应用能力。

此外，增强了了我们自主性学习、研究性学习的能力，再做实验设计的同时，也加强我们团队合作的能力和思维创新的意识。

在将近一个月的设计过程中，我们首先分配好设计计划，第一周，看课本第八章内容，在纸上完成初步课程实验必做题目设计方案；第二周，完成仿真调试，完善课程实验设计；第三周，完成课程设计报告内容，并确定选作内容，初步确定选做题目设计方案；第四周，完成选做题目的仿真调试，写好设计报告，并准备好答辩时用的PPT。

本次课程设计，是我收获很多，实践是检验真理的唯一标准。

书本知识是死的，需要我们活学活用。

遇到问题时，要积极寻求解决办法，查阅资料，图书馆、因特网都是很好的资源，但是我们要具备辨别并吸收信息的能力。

此外，请教同学好老师也是很好的办法之一。

课程设计过程中，初步设计方案问题比较多，一些参数测试只能在仿真软件下进行，通过直流稳压电源的设计和调试，学会选择变压器、整流二极管、滤波电容、稳压器相关元器件。

掌握直流稳压电源电路的调试和相关系数测试的方法。

但是由于水平有限，各种测试手段使用不是很全面，我们的课程设计难免会有一些错误和误差，还望老师及各位评委批评指正。

参考文献

1、刘润华李震梅.《模拟电子技术基础》.中国石油大学出版社，2007.1

2、朱定华主编.《模拟电子技术》.清华大学出版社，2005.2

3、赵桂钦.《模拟电子技术教程与实验》.清华大学出版社，2008.2

4、林涛林薇.《模拟电子技术基础》.清华大学出版社，2010.11

5、黄志伟主编.《基于NIMultisim的电子电路计算机仿真设计与分析》（修订版）.电子工业出版社，2011.6

附录I电路图