简易信号发生器设计

一、设计任务与要求

1）设计目的

1、理解分立元件构成的信号发生器的原理

2、掌握信号发生器的设计方法和仿真测试。

2）设计要求

基本要求：

A、电路能输出正弦波、方波和三角波、锯齿波四种波形；

B、输出信号的频率要求可调；

C、拟定测试方案和设计步骤；

D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；

E、用Multisim进行仿真测试，测量输出信号的幅度和频率；

F、写出设计报告。

3）技术指标

频率范围：100Hz-1KHz，1Kz-10KHz；输出电压：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=6V， 锯齿波VP-P=6V，正弦波VP-P=2V；方波tr小于1uS。

4）设计提示

方案提示：设计方案可先产生方波-三角波，再将三角波变成正弦波和锯齿波。如 下框图所示。

设计用主要器件**：双运放uA747（或7412）若干、差分管3DG100**若干；电阻电容若干。

5）设计报告要求

1、采用分立元件进行设计和仿真测试；

2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析并计算主要元件参数值；

3、画出仿真电路，给出仿真波形和仿真数据；

4、列出测试数据表格；

5、进行分析和总结，设计报告要求条理清楚、文字流畅、图文并茂、语言通顺、格式规范，字数不少于8000字。

二、方案设计与论证

图 1 方波、三角波、正弦波、锯齿波信号发生器的原理框图

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯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发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及试验调试技术，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（锯齿波）函数发生器的设计方法。

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 (如双运放uA747（或7412）)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术， 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。

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，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等 等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设 计方法。

本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：

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。

使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及试验调试技术，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-----锯齿波函数发生器的设计方法。

三、单元电路设计与参数计算

3.1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。

3.2方波—三角波转换电路的工作原理

方波—三角波产生电路

压传输特性

若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0 ，同相输入端接输入电压Uia ，R1 称为平衡电阻。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Uo1 从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平 Vee 跳到高电平Vcc 。设 Uo1=+Vcc, 则

将上式整理，得比较器翻转的下门限电位

若 Uo1=-VEE, 则比较器翻转的上门限电位为：

比较器的门限宽度

由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图所示：

a 点断开后，运放 A2与 R4、RP2、C2 及 R5 组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1 ，则积分器的输出

当U01=+Vcc时

当U01=-Vcc时

可见积分器的输入为方波时， 输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。

a 点闭合，既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

方波 -三角波的频率f 为

由以上两式可以得到以下结论：

1.电位器 RP2 在调整方波 -三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用 C2 改变频率的范围， PR2 实现频率微调。

2.方波的输出幅度应等于电源电压 +Vcc 。三角波的输出幅度应不超过电源电压 +Vcc 。电位器 RP1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

3.3 三角波 — 正弦波转换电路的工作原理

三角波——正弦波

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：

Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)]

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。

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

（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 Rp1 调节三角波的幅度， Rp2 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 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。

三角波—正弦波变换电路

3.4 电路的参数选择及计算

1.方波- 三角波中电容 C1变化（关键性变化之一）

实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C2从 10uf （理论时可出来波形）换成 0.1uf 时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当 C2=10uf 时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

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。

由式得：

由式（3-2-9）得：

3.5 三角波 - 正弦波部分

差分放大器元件参数确定

取RC1=RC2=10 KΩ,RB1=RB2=6.8 KΩ,取I0=1.1mA, 而

I0=(RE4/RE3)IREF

IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R

取RE4=R=20 KΩ,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，将IREF=0.28 mA代入，得RE3=5 KΩ

四 总原理图及元器件清单

4.1 总原理图

三角波 -方波-正弦波函数发生器实验电路

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。

4.2 元件清单

五 安装与调试（没有进行安装调试的这部分写电路中参数的选择与计算）

5.1 方波— 三角波发生电路的安装与调试

5.1.1 按装方波——三角波产生电路

1 把两块 741 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。

5.1.2 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。

5.2 三角波 — 正弦波转换电路的安装与调试

5.2.1 按装三角波——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。

5.2.2 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；

5.3 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 。

5.4 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。

1.方波 -三角波发生器的装调

由于比较器 A 1 与积分器 A 2 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=10K Ω ,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。

2.三角波 — 正弦波变换电路的装调

按照图 3— 75 所示电路，装调三角波 — 正弦波变换电路，其中差分发 大电路可利用课题三设计完成的电路。电路的 调试步骤如下。

（1）经电容 C4 输入差摸信号电压 Uid=50v ，Fi =100Hz 正弦波。 调节 Rp4 及电阻 R*, 是传输特性曲线对称。在逐渐增大 Uid 。直 到传输特性曲线形状入图 3— 73 所示，记 下次时对应的 Uid 即 Uidm 值。移去信号源，再将 C4 左段接地，测量差份放大器的 静态工作点 I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.

（2）Rp3 与 C4 连接， 调节 Rp3 使三角波俄 输出幅度经 Rp3 等于 Uidm 值，这时 Uo3 的输出波形应 接近 正弦波， 调节 C6 大小可 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，两管轮流截止与饮和导通，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。 可接俄加速电容 C1，一般取 C1 为几十皮法。用示波器或脉冲示波 器测量 T.

5.5 静态调试

整个电路连接完之后，就可以对该电路进行调试和检测了，以发现和纠正 设计方案的不足之处。在进行调试和测试之前，首先要对电路进行检查。 对照原理图按顺序一一检查，以免产生遗漏。以元件作为中心进行检查， 把每个元器件的引脚依次检查，看是否有接错线或者漏接等问题，为了防 止出现错误，最好对已经检查好的线路在原理图上做好标记，倘若线路检 查无误，则可以对线路进行调试和测试了。

用万用表适当的档位对线路进行测试，看线路是否有短路或者断路等问题，如果出现错误，就立即进行改进，修改再进行调试。

5.6 动态调试

5.6.1 方波—三角波发生器的调试

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波和正弦波，所以这两个单元电路可以同时安装。但是需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则会导致电路不起振。如果电路接线正确。则在接通电源后，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。

5.6.2 三角波—正弦波发生器的调试

六 性能测试与分析（写仿真调试与分析）

调试中的注意事项：

为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：

(1) 正确使用测量仪器的接地端

(2) 测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。

(3 )仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

(4) 用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。

(5) 调试过程中，不但要认真观察和测量，还要记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

(6) 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问

题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查。调试结果是否正确，在很大程度上受测量正确与否和测量精度的影响。

七 结论与心得

为期几天的课程设计已经结束，在这几天的学习、设计、及电路搭建过程中我感触颇深。使我 对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试； 熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、搭建方法；以及如何提高电路的性能等等。 通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重 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。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何

运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以 及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试 是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老 师要求我们加以提高的一个重要方面吧！

其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接 好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。 在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啦。实验中暴露 出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。 还有值得我们自豪的就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术，当然，我们也 有很多不足的地方， 最后用一句话来结束吧： “实践是检验真理的唯一标准” 。

通过本次实践操作，也让我深刻明白：只有将课本上的理论知识，结合实践不断练习，不断总结提炼，反复思考实践中的经验教训，才能够真正消化为自己的知识。

八 参考文献

[1] 陈利永 . 电子技术基础 [M] 北京 . 北京邮电大学出版社

[2]《电子线路设计·实验·测试》 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社

[3]《新型集成电路的应用——电子技术基础课程设计》梁宗善 主编，华中科技大学出版社

[4]《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社