函数信号发生器设计报告

函数信号发生器设计报告

一、设计要求... - 2 -

二、设计的作用、目的... - 2 -

三、性能指标... - 2 -

四、设计方案的选择及论证... - 2 -

五、函数发生器的具体方案... - 4 -

1. 总的原理框图及总方案... - 4 -

2.各组成部分的工作原理... - 5 -

2.1 方波发生电路... - 5 -

2.２三角波发生电路... - 6 -

2.３　正弦波发生电路... - 7 -

2.４方波---三角波转换电路的工作原理... - 10 -

2.５三角波—正弦波转换电路工作原理... - 13 -

3. 总电路图... - 15 -

六、实验结果分析... - 16 -

七、实验总结... - 17 -

八、参考资料... - 18 -

九、附录：元器件列表... - 19 -

函数信号发生器设计报告

一、设计要求

1. 用集成运放组成正弦波、方波和三角波发生器。

2. 幅值和频率自定义。

3. 正弦波、方波和三角波的幅值、频率可调。

二、设计的作用、目的

1. 掌握函数信号发生器工作原理。

2. 熟悉集成运放的使用。

3. 熟悉Multisim软件。

三、性能指标

1．输出波形：正弦波、方波、三角波等；

2．频率范围：10～100Hz、100～1kHz；

3．输出电压：方波Up-p=12V,三角波Up-p=6V,正弦波U>1V；

四、设计方案的选择及论证

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 (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(如单片函数发生器模块8038)。

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。

1. 方案一

采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三级可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。

2. 方案二

采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。

3 方案比较与选择

方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。

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。uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波，且可以通过调节差分放大电路的各个参数调节正弦波的失真。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，可将频率很低的三角波变换成正弦波。

综上所述，本课题选用方案一。

五、函数发生器的具体方案

1. 总的原理框图及总方案

图1 函数信号发生器原理图

多波形信号发生器方框图如图1所示。

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。并采用先产生方波—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。设计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。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.各组成部分的工作原理

2.1 方波发生电路

从一般原理来分析,可以在滞回比较器电路的基础上,靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路,由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态，高电平或低电平，两种不同的输出电平式RC电路进行充电和放电，于是电容上的电压降升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路由充电过程变成放电过程或相反，如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号．

方波发生电路仿真电路模型如图5-1所示

图5-1 方波发生电路仿真模拟

2.２三角波发生电路

在产生方波之后，利用此波形输入到一个积分电路便可输出一个三角波。由于三角波信号是电容的充放电过程形成的指数形式，所以线性度较差，为了能得到线性度较好的三角波，可以将运放和几个电阻，电容构成积分电路。

三角波发生电路仿真电路模型如图5-2所示：

　　　　图5-2　三角波发生电路仿真模拟　　

2.３　正弦波发生电路

　　　利用差分放大器传输特曲线的非线性，将三角波信号转化成正弦波信号。其传输特性曲线越对称，线性区越窄越好，三角波的幅值Ｕpp应正好使晶体管接近饱和区和截止去。

　　　正弦波发生电路仿真电路模型如图5-3所示：

　　　　图5-3　正弦波发生电路仿真模拟　

在Multisim 10.1中可得到图所示的波形：

　　　　图5-4　方波

　　　　　　　　图5-5　三角波

　　　　　　　图5-6　正弦波

2.４方波---三角波转换电路的工作原理

图5-7为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放器741－DIV

　　　　　　　　图5-7

参数选择：在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围1～10Hz、10～100Hz：

当需要1～10Hz时，开关选择C2=1μF，取，RP2为100Ω电位器；

当需要10～100Hz时，取C2=100nF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。平衡电阻。

工作原理如下：

若a点断开，运算发大器A1（左）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A2（右）与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为　

　当时，

若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：

方波-三角波的频率f为：

由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图５－８所示

图5-8

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。

2.５三角波—正弦波转换电路工作原理

　　　　　　　　图5-9

参数选择：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。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R6确定。

图5-10

分析表明，传输特性曲线的表达式为：

上式中：；—差分放大器的恒定电流；

—温度的电压当量，当室温为25℃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。

为使输出波形更接近正弦波，由图5-10可知：

（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. 总电路图

图5-11

仿真图为：

图5-12

六、实验结果分析

比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。微调Rp1，使三角波的输出幅度满足设计要求，调节Rp2，则输出频率在对应波段内连续可变。

调整RP₄及电阻R₇，可以使传输特性曲线对称。调节Rp3使三角波的输出幅度经Rp3输出等于Uidm值，这时输出波形应接近正弦波，调节C6的大小可改善波形。

因为运放输出级由PNP型与NPN型两种晶体管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，导通时受输出电阻的影响，使方波输出值小于电源电压值，故方波输出电压Up-p≤2Vcc。方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。

实验中若波形幅值太小，可适当添加一个放大电路以达到课设要求。

七、实验总结

本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。

当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。