简易信号发生器设计.docx

1、简易信号发生器设计摘 要函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。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，先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。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。关键词：函数信号发生器，方波，三角波，正弦波1.函数发生器的总方案及原理框图(2) 1.1 电路设计原理框图(2)

2、1.2 电路设计方案设计（2） 2.单元电路设计（3）2.1 方波发生电路的工作原理（3）2.2 方波-三角波转换电路的工作原理 （3）2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理 （6） 2.4电路的参数选择及计算 （8）2.5 总电路图（9）3.电路调试与仿真 （10） 3.1 电路的调试（10）3.2 方波-三角波发生电路的仿真（11） 3.3 三角波-正弦波转换电路的仿真（12）4.课程设计总结 （13）附录：元器件明细清单（14） 参考文献第一章 函数发生器的总方案及原理框图1.1 电路设计原理框图图1-11.2 电路方案设计（1）采用滞回比较器产生方波；（2）采用积分器将方波转换成三角

3、波；（3）采用差分放大器将三角波转换成正弦波。第二章 单元电路设计2.1、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

4、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。图2-1 方波产生电路2.2 方波-三角波转换电路的工作原理：图2-2-1图2-2-1所示的电路能自动产生方波三角波。电路工作原理若下：若a点断开，运放A1与R1、R2及R3、RP3组织成比较器，R1成为平衡电阻，运放的反相端接基准电压，及U_=0，同相端接输入电压Uia；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时，比较器翻转，输出U01从高

5、电平+Vcc跳到低电平VEE，或从低电平VEE跳到高电平+Vcc。设U01=+Vcc，则 （2-2-1）式子中，RP1指的是电位器（以下同）。 将上式整理，得比较器翻转的下门限电位 （2-2-2）若Uo1=VEE，则比较器翻转的上门线电位 （2-2-3） 比较器的门限宽度 (2-2-4) 由式子（2-2-1）(2-2-4)可以得到比较器的电压传输特性，如图所示。图2-2-2a点断开后，运放A2与R4、RP3、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 (2-2-5)当U01=+Vcc时， (2-2-6)当U01=-Vcc时， (2-2-7)可见积分器输入方波时，输出是一

6、个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图所示。图2-2-3当a点闭合，即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 （2-2-8）方波三角波的频率 （2-2-9）由式子（2-2-8）及（2-2-9）可以得出以下结论： 1.电位器RP2在调整方波三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围比较宽，则可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。 2方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc 。三角波的输出幅度不超过电源 电压+Vcc。电位器RP1可以实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波的

7、变换电路主要由差分放大电路来完成。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，可以有效的抑制零点漂移，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。分析表明，传输特性曲线的表达式为： (2-3-1) (2-3-2)式中差分放大器的恒定电流；温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。如果Uid为三角波，设表达式为式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。图2-3-1 三角波正弦波变换电路2-3-2三角波-正弦波转换传输特性曲线为使输出波形更接近正弦波，由图2-3-2可见：（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越

8、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，以滤除谐波分波形量，改善输出2.4电路的参数选择与计算 2.4.1方波-三角波部分运放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V.比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。由式 （2-8）得 取 ，则R3+RP1=40K，取，RP1为47K的电位器。平衡电阻R1=R2(R3+RP1)=8k，取R1=8.2K由式（2

9、-2-9）得即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 当100Hzf1kHz时， 取C2=0.1uF, 则10KR4+RP2正弦波部分（1）差分放大器元件参数确定取RC1=RC2=10 K,RB1=RB2=6.8 K,取I0=1.1mA, 而I0=(RE4/RE3)IREF (2-4-1)IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R (2-4-2)取RE4=R=20 K,代入(2-4-2)，得IREF=0.28 mA，将IREF=0.28 mA代入(2-4-1)，得RE3=5 K（2）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

10、输出频率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，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。这里取C6=0.1Uf, 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.2.5总电路图：图2-5方波-三角波-正弦波发生器实验电路（主要思路）：先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。 第三章 电路调试与仿真3.1电路的调试1方波三角波发生器的调试比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波和正弦波，A1输出为

11、方波，A2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，调节RP2，则输出频率连续可变。 2 三角波正弦波变换的调试1）差分放大器传输传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。调节RP4及电阻R，使传输特性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图2-3-2所示，记下此时对应的uid，即uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。 2）三角波-正弦波变换电路的调试。将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经由RP3 后输出

12、等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图3-1-1所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：钟形失真 ：如图3-1-1（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。半波圆顶或平顶失真 ： 如图3-1-1（b）如示，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。非线性失真： 如图图3-1-1（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=100pF）改善输出波形。图3-1-1 几种正弦波失真3.2 方波-三角波发生电路的仿真3.3三角

13、波-正弦波转换电路的仿真 第四章 课程设计总结该设计电路通过先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波，最终艰难而曲折的把简易信号发生器设计了出来。该设计电路的优点是输出波形的频率和幅度都连续可调。缺点是在调节频率的过程中正弦波的幅度会有所改变，而且波形的稳定度和失真度都会有很大的变化，这也就增加了电路调节的难度，在制成PCB板后才突然醒悟在比较器部分应该接入一个加速电容C,用来加速比较器的翻转。因此而留下了很多遗憾。总之，由于知识的有限，仿真结果不可避免的和设计要求产生了一定的偏差。通过对函数信号发生器的设计，我学到了很多的知识，一方面，我掌握了常用元件的识别和测试方法；熟悉了常用的仪器仪表

14、；以及如何提高电路的性能等等。另一方面，我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。附录 元器件明细清单名称规格数量运放 7412电阻1K15 K16.8 K210 K48.1 K120 K3100 K1电位器47 K2100 1100 K1电容470F247F10.1F20.01F1三极管90134单刀双掷开关1 参考文献1童诗白主编 模拟电子技术基础（第三版）北京：高教出版社， 20012李万臣主编 模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，20013胡宴如主编 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，20004康华光 电子技术基础-模拟部分（第四版）.高等教育出版社 , 19985谢自美 电子线路设计.实验.测试(第二版).华中科技大学出版社, 20006电子电路大全(合定本) 中国计量出版社. 19917郝鸿安主编 常用模拟集成电路手册.人民邮电出版社 19918蒋黎红主编 模电数电基础实验及Multisim 7仿真.浙江大学出版社, 20079程开明主编 模拟电子技术.重庆大学出版社，1995 10黄培根主编 Multisim 10 计算机虚拟仿真实验室.电子工业出版社，2008