简易信号发生器设计.docx
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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）
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1-1
1.2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2-2-2
a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，UT≈26mV。
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=40KΩ，取
，RP1为47KΩ的电位器。
平衡电阻R1=R2∥（R3+RP1）=8k
，取R1=8.2KΩ
由式（2-2-9）得
即R4+RP2=（R3+RP1）/（4FC2R2）
当100Hz≤f≤1kHz时，取C2=0.1uF,则10KΩRP2=100kΩ。
当1kHz≤f≤10kH时，取C1=0.01uF以实现频率波段的转换，R4
及RP2的取值不变。
取平衡电阻R5=10KΩ。
2.4．2三角波—>正弦波部分
（1）差分放大器元件参数确定
取RC1=RC2=10KΩ,RB1=RB2=6.8KΩ,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=20KΩ,代入（2-4-2），得IREF=0.28mA，将IREF=0.28mA代入（2-4-1），得RE3=5KΩ
（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：
①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。
②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。
③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；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
741
2
电阻
1KΩ
1
5KΩ
1
6.8KΩ
2
10KΩ
4
8.1KΩ
1
20KΩ
3
100KΩ
1
电位器
47KΩ
2
100Ω
1
100KΩ
1
电容
470μF
2
47μF
1
0.1μF
2
0.01μF
1
三极管
9013
4
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，2001
[2]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，2001
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[5]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,2000
[6]《电子电路大全（合定本）》中国计量出版社.1991
[7]郝鸿安主编《常用模拟集成电路手册》.人民邮电出版社1991
[8]蒋黎红主编《模电数电基础实验及Multisim7仿真》.浙江大学出版社,2007
[9]程开明主编《模拟电子技术》.重庆大学出版社，1995
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