函数信号发生器的设计与实现

1. 前言

在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速地选用不同特征的信号源，就成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后人们用其它仪表测量感兴趣的参数。信号源在各种实验应用和实验测试处理中，不是测量仪器，而是根据使用者的需求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

函数信号发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小、输出稳定、可靠性高，特别是操作简单方便。

本实验由两个电路组成，分别是“方波——三角波发生电路”和“三角波——正弦波变换电路”。方波——三角波发生电路由自激的单线比较器产生方波，通过RC积分电路产生三角波，再经过差分电路可实现三角波——正弦波的变换。本电路振荡频率和幅度用电位器调节，输出方波幅度的大小由稳压管的稳压值决定；而正弦波幅度和电路的对称性也分别由两个电位器调节，以实现良好的正弦波输出图形。它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力、物力资源，具有实际的应用价值。

1.1设计任务要求：

设计制作一个简易方波——三角波——正弦波信号发生器，供电电源为±12V，要求频率调节方便，并满足下列指标要求：

1、输出频率能在1 KHZ~10KHZ范围内连续可调。

2、方波输出电压峰峰值Uopp=12V（误差<20%），上升、下降沿均小于10uS；

3、三角波输出电压峰峰值Uopp=8V（误差<20%）；

4、在1KHZ~10KHZ的频率范围内，正弦波输出电压峰峰值Uopp≥1V，无明显失真。

提高要求：

1、将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可调范围不少于30%~70%；

2、自拟其他功能。

2. 方波、三角波、正弦波发生器方案

2. 1 原理框图

RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波——方波——三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。先通过 RC 正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。

2. 2 系统组成框图

3. 各组成部分的工作原理

3.1 方波-三角波产生电路的工作原理

方波输出幅度由2DW232稳压管的稳压值决定，即限制在（Uz+UD）之间。

方波经积分得到三角波，幅度为Uo2m=±（Uz+UD）。

方波和三角波的震荡频率相同，为f=1 /T=āRf/4R1 R2C，式中ā为电位器Rp1的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。即调节Rp1可改变振荡频率。

根据两个运放的转换速率的比较，在产生方波的时候选用转换速率快的LM318，这样保证生成的方波上下长短一致，用LM741则会不均匀。产生三角波的时候选用LM741。其中R1、R2的值是根据实验要求设定在20K和30K，根据计算可设定R6=2KΩ，C=0. 01 uF。根据运放两端电阻要求的电阻平衡，选择R6的阻值和R8的相等，即R8=2KΩ。根据所需要输出方波的幅度选择合适的稳压管和限流电阻R3的大小。稳压管为给定的2DW232，其稳压幅度已经给定。选择限流电阻R3为430Ω。为使ā的变化范围较大，信号的频率范围达到要求，电位器Rp1选择为100KΩ范围内可调。

3. 2 三角波-正弦波转换电路的工作原理

差动放大器具有很大的共模抑制比，被广泛应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。

差动放大器的设计：

1、确定静态工作点电流Ic1、Ic2、Ic3

静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=ReIr=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2I b4=Ic4+2Ic4/β≈Ic4=Ic3而Ir=Ic4=Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/(R+Re4)。上式表明恒定电流Ic3主要由电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re4决定，与晶体管的参数无关。由于差动放大器的静态工作点主要由恒流源决定，故一般先设定Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小， 放大器的输入阻抗越高。因此在实验中，取Ic3为1mA。有Ic1 =Ic2=0. 5*Ic3=0. 5mA。由R+Re=（Ucc+Uee-Ube）/Ir，其中Ucc为12V，Uee也为12V，Ube的典型值为0.7V（在本次取值中可以忽略），Ir为1 mA，故取R=18KΩ，Re4=1 KΩ。由于镜像电流源要求电阻对称，故取Re3=1KΩ。

2.、差模特性

差动放大器的输入和输出各含有单端和双端输入两种方式，因此，差动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。不同的连接方式，电路的特性不同。Rp的取值不能太大，否则反馈太强，一般取100Ω左右的电位器，用来调整差动放大器的对称性。

3、 三角波——正弦波变换电路

三角波—正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥式电路，二极管可变分压器电路和差分放大器等。本实验利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波——正弦波的变换。

图中R17调节三角波的幅度，R16调整电路的对称性，并联电阻RE用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。电容C2、C3、C4为隔直流电容，用单向的大电容不但很好地滤除直流分量，还能避免双向耦合，使输出地波形清晰稳定。C5为滤波电容，以滤除高频信号干扰，改善输出正弦波的波形，减少不确定的信号干扰。

电解电容C2、C3、C4为隔直流电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取得相对较大，故取C2=100uF，C3=100uF，C4=100uF。R17调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调范围应该比较大，故取R17=10kΩ。Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为 Rb1=Rb2=51Ω。流进T1，T2集电极电流约为0.5mA，为满足其正弦波的幅度大于1mA， 取Rc1=Rc2=7.5kΩ，使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。C5为滤波电容，其值应该满足要求的正弦电压幅度与频率，其值不能取太大，否则会使幅度太小无法达到要求，故取 C5=0.1uF。至此，电路的设计基本完成，需要在实验中进一步调试电路。

3. 3 提高要求电路图

将原电路图的R5改为

这样的结构，利用二极管的单向导电性，电位器的调节使两个方向串接的电阻值不同，使得电容C充电、放电的时间不同，从而实现调节方波占空比的扩展功能。

3. 4 总电路图

4. 用Multisim电路仿真

4. 1 方波—三角波电路的仿真

方法同输出方波电路的仿真方法，可得图8所示的方波转三角波波形仿真图。

4. 2 方波—正弦波电路的仿真

方法同输出方波电路的仿真方法，可得图所示的三角波转正弦波波形仿真图。

4. 3 提高要求的仿真

5. 电路的实验结果及分析

5. 1 方波波形产生电路的实验结果

把电路板的电源接好，将输出端接示波器，进行整体测试、观察。针对其出现的问题， 进行排查校验，使其满足实验要求。可得到实测方波波形如图11所示：

5. 2 方波——三角波转换电路的实验结果

实测三角波波形如图12所示：

5. 3 正弦波发生电路的实验结果

由示波器实测正弦波波形图为：

由图可知波形比较准确，调节RP可改变幅频、幅值大小。频率在1kHZ~10kHZ连续可调。

5. 4 提高要求的实验结果

5. 5 主要测试数据

三种输出波形的输出频率在1K~10KHz范围内连续可调，无明显失真。

方波的峰峰值为13.8V，大于实验要求的峰峰值12V，误差为15%，小于20%，满足实验要求。上升时间为251ns，小于10us。输出方波占空比可调范围是12%87%，大于30%70%。

三角波的峰峰值为8.85V，大于实验要求的峰峰值8V，误差为10.625%，小于20%，满足实验要求。

正弦波的峰峰值大于1V满足要求。

5. 6 必要的测试方法

利用直流电压源产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、峰峰值、频率、占空比、上升时间等，用万用表测量电阻的阻值及电容容值。

5. 7 实验结果分析

输出的各波形的参数范围符合使要求，有些许的偏差。原因可能是在各原件的参数选择上有些偏差。

正弦波稍微有点失真是因为积分电路中充放电的时间不够, 隔直电容选取的不够大，差分电路不完全对称，调节几个电位器即可使波形改善，若还不对称，则需将隔直电容调换之更大数值。

6. 故障及问题分析

在第一次试验中，第一级的方波——三角波发生电路不能产生波形，检查元器件连接无误，于是多次将电路拆掉重连，最终发现是调节频率的电位器一个引脚损坏。

无波形图示：

第二级电路连接好之后，正弦波总出现波形失真，且频率可调范围小于1K~10KHz，我请教了电路中心的张咏梅老师，她说这是因为正弦波形是电容滤出来的，而不是差分电路输出的改变C2、C3、C4的容值即可。

于是改变C2、C3、C4的容值，反复试验，最终出现无失真，频率范围可调的正弦波。

失真图示：

7. 实验总结

在实验过程中，遇到了很多的问题。比如：

1、波形失真，甚至得不到波形这样的问题。开始很长一段时间内我换掉各种元件但是还是不能出现波形，直到我更换了面包板。这是因为插线的时候用力过猛，使得面包板的弹片掉落，不能使电路内部连通。

2、正弦波输出有很大失真，一开始没有输出正弦波而是三角波，这是因为差放工作在线性区，不能完成三角波——正弦波的转换，我将Rb的阻值调小，并且改变隔直电容的容值，才使波形得以改善。

3、方波的峰峰值不符合要求。理论上，方波的峰峰值是由稳压管决定的，调节电位器，可以改变幅度和频率。

4、三角波峰峰值比预想中大。理论上，是要保证R1/R2=3:2，即可保证三角波峰峰值为8V。但当采用了R1=30kΩ，R2=20kΩ的电阻后，三角波的峰峰值反而偏大，并且不由调节电位器可以改变。解决办法是适当调整R1、R2的阻值直到达到预期效果。

5、一开始搭建电路缺乏经验，使电路的构造十分拥挤。后来借鉴了其他同学搭电路的方法，让电路连接的导线尽量短，导线和元器件紧贴在面包板上，这样搭出来的电路更加赏心悦目，各元器件的连接更加清晰，debug更加方便，实验成功率也大大提高。

6、一开始正弦波失真，是因为正弦波形是电容滤出来的，而不是差分电路输出的。改变C6、C7的容值即可。

8. 仪器仪表清单

8. 1 所用仪器及元器件：

元器件：电位器、电阻、电容

相关元件参数：

LM318芯片：

输入失调电压：4mV；增益带宽积：15MHz

耗电流：5mA；偏置电流：150nA

转换速率：70V/uS；电源：+/-20V

LM741芯片：

输入失调电压0.8mV；增益带宽积：1.5MHz

耗电流：1.7mA；偏置电流：30nA

转换速率：0.7V/uS；电源：+/-3V — +/-22V

三极管：8050

双稳压管：2DW232

二极管：1N4148

8. 2 仪器清单表

表一 仪器清单表

元器件名称 型号、规格 数量

运算放大器 LM741 1片

运算放大器 LM318 1片

三极管 8050 4个

双稳压管 2DW232 1个

电位器 100Ω 1个

电位器 10kΩ 2个

独石电容 若干

电解电容 若干

电阻 若干

面包板 1个

提高要求需要：

电位器 1个

二极管 1N4148 2个

9. 参考文献

[1] 刘宝玲.《电子电路基础》.高等教育出版社

[2]《电子测量与电子电路》综合设计型实验讲义.北京邮电大学电子工程学院电路中心. 201 6. 3