函数信号发生器电路设计.docx

函数信号发生器电路设计.docx

《函数信号发生器电路设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《函数信号发生器电路设计.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

函数信号发生器电路设计

摘要:

Protel99SE软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。

凭借Protel99SE，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。

本文的设计就是利用Protel99SE软件设计了一款简单的函数信号发生器电路，并通过了仿真。

能够产生方波、三角波和正弦波。

本设计利用电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正弦波转换电路得到正弦波。

最后通过Protel99SE设计PCB板，并最终做出成品电路，经实验室测试，符合设计的初衷。

关键词：

电源;波形;比较器;积分器;转换电路;Protel99SE

Thedesignofthefunctionsignalgeneratorcircuit

Abstract:

Protel99SEsoftwarecombinesintuitivecaptureandpowerfulsimulation,fast,easyandefficientcircuitdesignandverification.WithProtel99SE,youcanimmediatelycreateacompletecircuitcomponentlibrary,anduseindustry-standardSPICEcircuitsimulatortoimitatebehavior.

ThisdesignistouseProtel99SEsoftwaredesignanewsimplefunctionsignalgeneratorcircuit,andthroughsimulation.Itcanproducesquare-wave,trianglewaveandsinewave.Thisdesignusevoltagecomparatorrealizestheoutputpulseandconnectionintegratorgettrianglewave,andthroughthetrianglewave-sinewavetransformcircuittogetsinewave.

FinallythroughProtel99SEdesignPCB,andeventuallymadebylaboratorytesting,finishedproductcircuit,complywiththedesignoriginalintention.

Keywords:

powersupply;waveform;comparator;integrator;conversioncircuit;Protel99SE

1函数信号发生器的设计原理及方案

1.1原理框图

图1.1函数发生器原理框图

1.2函数发生器的总方案

函数信号发生器一般是指能自动产生方波、三角波、正弦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信号发生器，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（如单片函数信号发生器模块8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本次设计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—正弦波函数信号发生器的设计方法。

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，再将三角波形变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本次设计采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。

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。

2设计的目的和设计的任务

2.1设计目的

1.掌握电子系统的一般设计方法

2.掌握模拟IC器件的应用

3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力

4.掌握常用元器件的识别和测试

5.熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法

2.2设计任务

设计方波—三角波—正弦波函数发生器

2.3设计的要求及技术指标

1.设计、组转、调试函数发生器

2.输出波形：

正弦波、方波、三角波

3.频率范围：

1Hz-10Hz,10Hz-100Hz

4.输入电压：

方波Up-p≤24V,三角波Up-p=8V,正弦波Up-p>1V

3比较器的原理

3.1比较器

⑴对两个或多个数据项进行比较，以确定它们是否相等，或确定它们之间的大小关系及排列顺序称为比较。

　　能够实现这种比较功能的电路或装置称为比较器。

⑵比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。

比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。

因此，也可以将其当作一个1位模/数转换器（ADC）。

运算放大器在不加负反馈时从原理上讲可以用作比较器，但由于运算放大器的开环增益非常高，它只能处理输入差分电压非常小的信号。

而且，一般情况下，运算放大器的延迟时间较长，无法满足实际需求。

比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性会受到一定限制。

为避免输出振荡，许多比较器还带有内部滞回电路。

比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。

3.2比较器的工作原理

3.2.1固定幅度比较器

⑴过零比较器和电压幅度比较器[3]

过零电压比较器是典型的幅度比较器电路，它的电路图和传输特性曲线如图所示。

图3.1过零比较器

将过零比较器的一个输入端从接地改为接到一个固定电压值VREF上，就得到电压比较器，如图3.1所示。

调节VREF可方便地改变阀值。

图3.2固定电压比较器

⑵比较器的基本特点

工作在开环或正反馈状态。

开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。

非线性，因是大幅度工作，输出和输入不成线性关系。

3.2.2滞回比较器

滞回比较器又称施密特触发器,迟滞比较器。

这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。

滞回比较器也有反相输入和同相输入两种方式。

电路如图3.3所示。

图3.3滞回比较器及其传输特性

（a）反相输入；（b）同相输入

1.正向过程

正向过程的阈值为

（3-1）

形成电压传输特性的abcd段。

2.负向过程

负向过程的阈值为

（3-2）

形成电压传输特性上defa段。

由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。

利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出图3.3（b）所示的同相滞回比较器的两个阈值

（3-3）

两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。

由上分析可知，改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。

即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。

      图3.4比较器的波形变换

（a）输入波形；（b）输出波形

3.2.3窗口比较器

电平比较器和滞回比较器有一个共同特点，即ui单方向变化（正向过程或负向过程）时，uo只跳变一次。

只能检测一个输入信号的电平，这种比较器称为单限比较器。

双限比较器又称窗口比较器。

它的特点是输入信号单方向变化（例如ui从足够低单调升高到足够高），可使输出电压uo跳变两次，其传输特性如图所示，它形似窗口，称为窗口比较器。

窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断ui是否在某两个电平之间。

图3.5窗口比较器电路及其传输特性

（a）窗口比较器（b）传输特性

3.3比较器的应用

比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将正弦波或任意不规则的输入波形整形为方波输出。

4各组成部分的工作原理

4.1方波发生电路的工作原理

此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。

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。

设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。

Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。

反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。

随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。

Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。

上述过程周而复始，电路产生了自激振荡[1]。

4.2运放741工作原理与电路图

uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。

[4]

图4.1运放741工作原理与电路图

图4.2运放741的封装

4.3方波—三角波产生电路

图4.3方波—三角波产生电路[8]

如图电路能自动产生方波—三角波，其中运算放大器A1、A2选用一只双运算放大器uA741。

电路工作原理如下：

若断开a点，运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，R1称为平衡电阻，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转；运算放大器的反相端接基准电压，即U-=0，同相端接入电压U1a；比较器的输出Uo1的高电平等于正电源的电压+VCC,低电平等于负电源电压-VEE（VCC=VEE），当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平+VCC跳到低电平-VEE,或从低电平-VEE跳到高电平+VCC，设Uo1=+VCC，则

（4-1）

式中，RP1指电位器的调整值（以下同）。

将（4-1）式整理，得比较器的下门限电位

（4-2）

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位

（4-3）

比较器的门限电压UTH为

（4-4）

A点断开后，运算放大器A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波U01，则积分器的输出

（4-5）

当

时，

（4-6）

当

时，

（4-7）

可见，当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波。

图4.4方波—三角波波形

a点闭合，即比较器与积分器首位相连，形成闭环电路，则自动产生方波—三角波，三角波的幅度为

（4-8）

方波—三角波的频率为

（4-9）

有上面分析可知：

①电位器RP2在调整方波→三角波的输出频率时，不会影响输出的幅度。

若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。

②方波的输出幅度应等于电源电压。

三角波的输出幅度应不超过电源电压。

电位器RP1可实现幅度上下微调，但会影响波形的频率。

4.4三角波—正弦波变换电路

波形变换的原理是利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，查分放大器的传输特性曲线IC1（或IC2）的表达式为:

（4-10）

式中，

；

为差分放大器的恒定电流；

为温度的电压当量，当室温为25℃时，

≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

（4-11）

式中　　Um——三角波的幅度；

　　T——三角波的周期。

图4.5三角波—正弦波的变换原理

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。

图4.6三角波—正弦波变换电路

图为三角波—正弦波的变换电路，其中，晶体管选用集成差分对管BG319，其内部有4只特性完全相同的晶体管，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区，C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

4.5确定电路形式

根据以上分析，采用如下所示电路。

因为方波的幅度接近电源电压，所以致电源电压+VCC=12V,-VEE=-12V。

图4.7方波—三角波—正弦波函数发生器电路图

4.6计算原件参数

比较器A1与积分器A2的原件参数计算如下：

由式（4-8）得

（4-13）

取R2=10KΩ,R3=20KΩ,RP1=47KΩ,

由输出的频率的表达式（4-9）得

（4-14）

当

时，取

，则

，取

，为100KΩ电位器。

当

时，取

以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。

取平衡电阻

。

三角波—正弦波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C6的取值视输出的谐波而定，若含高次谐波成分较多，则C6一般为几十皮法至0.1微法。

RE2=100Ω与RP4=100Ω相并联，以减少差分放大器的线性区。

差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线、调整RP4及电阻RC4来确定。

5.电路的绘制与仿真

5.1方波—三角波—正弦波函数发生器电路图的protel原理图

图5.1protel原理图

5.2方波—三角波—正弦波函数发生器电路图的PCB的生成

⑴选择菜单Design/NetlistForProject/Protel命令，如图5.2所示。

图5.2生成网络表选项

随后在project栏会多出一项Generated/NetlistFiles，展开后有一个“changyanan.NET”，这就是生成的网络表，如图5.3所示。

[10]

图5.3网络表

网络表中主要内容分为两部分，一部分是各元件的属性参数，以方括号作为开头和结尾；一部分是各元件引脚的电气连接信息，以圆括号作为开头和结尾。

⑵创建PCB文件

1、使用菜单File/New/PCB建立PCB文件，或者使用右键AddNewProject/PCBProject。

在工具栏中可对其saveas并且命名为PCB1.PCBdoc。

如图5.4所示

图5.4新建PCB文件

⑶出现PCB界面后要画出版图，注意此时要点到Keep-OutLayer再开始画线，画出为粉色。

然后画TopLayer，稍微比布局层大一点，画出为红色，如图5.5所示。

图5.5PCB置线

⑷导入元件至PC

1、使用菜单Degsin/ImportPCBDocumentPCB1.PcbDoc

2、弹出的对话框下方的

按钮，则在Status栏的Check列中可以查看装入的元件是否正确，如果正确的话，会有

标志，确定所有元件封装和网络都正确以后，单击

按钮，再单击

按钮，这时网络表和元件已经装载到PCB文件中。

3、如果有错误后修改后可以使用菜单Degsin/UpdatePCBDocumentPCB1.PcbDoc更新。

图5.6导入元件

⑸元件的布局

在AltiumDesigner6下可以有手动和自动两种方式来布局，由于自动布局效果不甚好，这里采用手动布局的方式。

⑹自动布线

执行AutoRoute/All后开始自动布线。

布线后见图5.7。

图5.7执行自动布线

图5.8自动布线后的效果图

5.3设置仿真参数

执行菜单命令Designer/Simulate/MixedSim弹出如图5.9,5.10所示的对话框。

选中工作点分析（OperationPointAnalysis）和暂态分析（TransientAnlysis）。

选择要观察的Net，以及时间进行设置。

图5.9仿真设置图5.10暂态分析对话框

5.4仿真波形

6电路安装与调试

在装调多级电路时，通常按照单元电路的先后顺序进行分级装调与级联。

6.1方波—三角波产生电路的安装与调试

6.1.1安装方波—三角波产生电路

1.把两块集成块插入面包板，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。

6.1.2调试方波—三角波产生电路

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；

4.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。

6.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试

6.2.1安装三角波——正弦波变换电路

1.在面包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，注意C6的选取；

4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

6.2.2调试三角波——正弦波变换电路

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的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；

3.测试V3、V4的电容值，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；

6.3总电路的安装与调试

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大于1V。

6.4调试中遇到的问题及解决的方法

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。

6.4.1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，如设计举例题中，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。

只要电路接线正确，上电后，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。

6.4.2三角波---正弦波变换电路的装调

三角波---正弦波变换电路的调试步骤如下：

①差分放大器传输特性曲线调试

将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压Vid=50mV,Fi=100Hz的正弦波；调节Rp4及电阻RC4,使传输特性曲线对称；再逐渐增大Uid，直到传输特性曲线合适，记下此时对应的峰值Uid即Uidm值。

移去信号源，再将C4左段接地，测量差分放大器的静态工作点I0,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4。

②三角波---正弦波变换电路调试

Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波的输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo对于3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。

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RC4。

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。

③性能指标测量与误差分析

1）放波输出电压Up—p《=2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出度小于电源电压值。

2）方波的上升时间T，主要受预算放大器的限制。

如果输出频率的限制。

可接近加速电容C1，一般取C1为几十皮法。

用示波器或脉冲示波器测量T。

7实验结果

7.1方波——三角波发生电路的实验结果

C=0.01uF

fmin=4107Hz

fmax=8300Hz

C=0.1uF

fmin=190Hz

fmax=1780Hz

C=1uF

fmin=28Hz

Fmax=200Hz

表1实验结果

（1）

7.2三角波——正弦波转换电路的实验结果

R=15kΩ

Vc1=Vc2=5.50v

Vc3=-0.62v

Vc4=-10.00v

Ic1=Ic2=0.68mA

表2实验结果

（2）

实验结果分析

模拟仿真（R=13kΩ）

Vc1=Vc2=4.35v

Vc3=-0.84v

Vc4=-9.00v

Ic1=Ic2=0.50A

表3仿真结果

7.3实测电路波形、误差分析及改进方法

将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉,

C1=0.1uFU=54mvUo=2.7v>1v

C1=0.01uFU=54mvUo=2.8v>1v

Xc=1/W*C,当输出波形为高频时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被

吞并，无法显示出来。

[7]

8仪器仪表清单

设计所用仪器及器件

名称

大小

个数

直流稳压电源

1个

双踪示波器

1个

运放741

2个

电位器

100Ω

1只

50kΩ

2只

100kΩ

1只

电阻

100Ω

2个

2kΩ

2个

5.1kΩ

1个

6.8kΩ

1个

8kΩ

1个

10kΩ

3个

20kΩ

3个

100kΩ

2个

三极管

9013

8只

电路板

1块

电容

0.47uF

2个

10uF

1个

470uF

2个

参考文献

[1]王港元.电工电子实践指导[M].江西科学技术出版社.2006;23-25

[2]华成英,童诗白.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社.2006;16-18

[3]王永洪.线性集成运算放大器及其应用[M].机械工业出版社.1989;79-86

[4]张郁弘,庄灿涛.晶体管运算放大器及其应用.国防工业出版社.1978;35-36

[5]谢嘉奎,宣月清,冯军.电子线路（线性部分）[M].高等教育出版社.1999;46-57

[6]胡宴如.模拟电子技术基础.高教出版社[M].2004;87-90

[7]谢自美.电子线路设计.实验.测试[M].华中科技大学出版社.2008;28-35

[8]高吉祥.电子技术基础实验与课程设计.电子工业出版社.2005;66-74

[9]于卫.模拟电子技术试验及综合实训教程[M].华中科技大学出版社.2008;56-70

[10]江思敏,姚鹏翼,胡荣.PROTEL电路设计课程.清华大学出版社.2003;22-38

[11]徐升昊,陈金祥.DevelopmentoftheIntelligentandWidebandFunctionGenerator.2004

（1）

[12]徐建华.函数信号发生器的原理及调试与维护[J].嘉兴学院学报.2001;（06）