函数信号发生器

实验报告

实验题目：函数信号发生器的设计与调测

班级：电信1017班

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学号： 

20##年6月18日

 函数信号发生器的设计与调测

摘要

使用运放组成的积分电路产生一定频率和周期的三角波、方波（提高要求中通过改变积分电路两段的积分常数从而产生锯齿波电压，同时改变方波的占空比），将三角波信号接入下级差动放大电路（电流镜提供工作电流），利用三极管线性区及饱和区的放大特性产生正弦波电压并输出。

关键词

三角波-正弦波       运放积分电路      差动放大电路         镜像电流源        

实验内容

1、 基本要求：

a)  设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。

1）输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；

2）方波输出电压Uopp=12V，上升、下降沿小于10us，占空比可调范围30%-70%；

3）三角波Uopp=8V；

4）正弦波Uopp＞1V。

b)  设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）

2、 提高要求：

a)  三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V范围内连续可调。

b)  三种输出波形的输出阻抗小于100欧。

c)  用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图（PCB）。

实验原理

1，方波三角波产生电路

如图所示为方波-三角波产生电路，由于采用了运放组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管VDW1，VDW2的稳压值决定。改变R1和Rf的比值可调节Uo2m的大小。

电路与原件的确定：

①根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择电压转换速率合适的运放。

②根据所需输出方波幅度的要求，选择稳压值合适的稳压管的型号和限流电阻Ro的大小。

③根据输出三角波的幅度要求，确定R1与Rf的大小

R1=Uo2m*Rf/（Uz+Ud）

2，电流镜偏震差动放大器的设计

差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛地应用于集成电路中，常作为输入级或中间放大级。

⑴确定静态工作点电流Ic1.Ic2和Ic3

静态时，差动放大器不加输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re

Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4=Ic4+2Ic4/β=Ic4=Ic3

上式表明恒定电流Ic3主要有电源电压和电阻R，Re4决定，与晶体管的参数无关。

⑵差模特性

差动放大器的输入和输出各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。连接方式不同，电路的特性参数不同，各种情况下的差模特性也不同。

3，三角波-正弦波产生电路

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电路等。利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波-正弦波变换的过程如图：

可见：

①差分放大器传输特性曲线越对称，线性区越窄越好。

②三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区。

 

设计思路、总体结构框图

分段设计，首先产生方波-三角波，再与差动放大电路相连。

 

分块电路和总体电路的设计

（1）方波-三角波产生电路：

首先，稳压管采用既定原件2DW232，保证了输出方波电压Uo1的峰峰值为12V，基本要求三角波输出电压峰峰值为8V，考虑到平衡电阻R3的取值问题，且要保证R1/Rf=2/3,计算决定令Rf=12K，R1=8K，R3=5K。又由方波的上升、下降沿要求，第一级运放采用转换速度很快的LM318，Ro为输出限流电阻，不宜太大，最后采用1K欧电阻。二级运放对转换速度要求不是很高，故采用UA741。考虑到电容C1不宜过小，不然误差可能较大，故C1=0.1uF，最后根据公式，Rw抽头位于中点时R2的值约为300欧，进而确定平衡电阻R4的阻值。考虑到电路的安全问题，在滑阻的接地端串接了一个1K的电阻。（注：实际调测时因为滑阻转动不太方便，所以通过不断换滑阻的方式确定适当频率要求下Rw的阻值，我的电路最后使用的是1K欧的滑阻）

（2）正弦波产生电路：

电容C2，C3，C4为隔直电容，根据电路实际情况，采用10uF的足够了，调测效果也很好。C5为滤波电容，需要根据最后的正弦波波形选择最合适的，我的电路最后采用的是10000pF。T1,T2,T3,T4采用8050NPN管。根据电路要求电流镜电流为1mA，以保证T1,T2的集电极电流都是0.5mA，由于正负电压的大小都是12V，Re3,Re4又不能太大（有负反馈），故最后令R=18K,Re3=Re4=Re5=5K（其中Re5为电流镜的负载，需要与之匹配）Rp2为调零电阻，100欧就可以。Rb1,Rb2为差放的基极电阻，对整个放大影响不大，都采用50欧以减小电路输出阻抗。Rc1,Rc2为集电极负载，需要足够大以保证正弦电压的放大倍数，选择18K欧的电阻。Rp1理论上是用于调节输出正弦波电压的幅值的，但是实际调测中，它的大小还会影响到前一级电路，在不断调测中决定使用10K欧的滑阻。

（3）提高之三角波幅度可调：

一者可以在Uo2的输出口接上一个分压电路（使用滑阻），这样只改变输出三角波幅值，不会影响其他电路。

二者可以利用三角波产生的原理，改变R1和Rf的比值。

考虑到后者实现的难度稍小，所以采用第二种方法，在Rf支路上串联一个10K欧的滑阻，最后可以实现赋值及频率同时可调。

（4）方波占空比可调：

只需改变正负积分电路的积分常数即可，由此联想到锯齿波电压的产生电路，将R2替换为两条支路，用不同方向的二极管控制电路的通断。最后成功输出锯齿波电压和占空比可调的方波电压。

电路仿真的实现（Multisim）：

电路图：

方波波形：

三角波波形：

正弦波波形：

PCB布板图：

所实现功能说明

接入工作电压后可以产生频率、幅度、占空比可调的方波、三角波、正弦波电压波形。

主要测试数据为 频率F可调节的范围，幅值最大是否符合要求，后级差动放大电路的直流工作点以及频率变化时输出正弦波电压幅值的微小变化。

测试方法：利用直流电压元产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、幅值、频率等，用电压表测量Re，Rc两端电压，并计算得到二者的工作电流。

故障及问题分析

1、方波的峰峰值过低或者过大，稳压管没有起到相应的作用。通过不断改变Ro的值（由于Rw改变不方便，还调过它）最终得到满足要求的波形。

2、三角波的上升沿比较粗，下降沿比较细。通过改变R2和C1的值不断改变波形频率，最后得到相对对称的三角波上升下降沿。

3、后级在直流工作点正常的情况下，没有正弦波的输出波形。通过逐段测试发现在信号经过Rp1后就已经为零了，这个滑阻本应是调节正弦波的幅度的，但粗浅分析应该会影响到前级的积分电路，将之换上一个调节方便的10K欧电阻，调解过程中发现确实有所影响，在不断调节下得到了输出的正弦波波形。

4、正弦波输出端输出的是三角波电压或是类似于香蕉波的波形，解决方式是调整滤波电容的值，使之达到滤波的效果，最后输出比较圆滑的正弦波。

5、在调节输出电压频率的时候，最后的正弦波电压输出幅度会有较大的改变，这应是后级差放电路还不够稳定，几个电容的值还不是很好导致的，因为当时已经验收了，后来也就没有调测。

总结和结论

通过这次实验，在对上学期的模电课程有了更深的理解，把理论与实际相结合的基础上，我学会了电路的具体搭建和故障初步排除。实践过程中遇到了很多困难，不论是知识方面的还是搭建方面的。比如运放的易坏，让实验的调测过程都增加了不少难度。还有，在实验过程中器材的不足以及未对面包板检测，让实验一度陷入僵局，所幸最后都能得到了解决，这次实验中还让我们学会了PROTEL绘制电路，过程虽然艰辛，但还是觉得是有所收获的。唯一觉得遗憾的是在答辩的时候准备不够充分以及对于电路“出波形”比“具体数值符合要求”的心理，导致最后搭建的电路有失偏颇，答辩的时候不能对老师的提问做出很好的回答，是我的错。我应该在事先调研得更清楚，明白，深刻领会实验要求的主旨和实验所要求我们掌握的知识点。

所用元器件及测试仪表清单

元器件

8050  4个；  2DW232  1个；  LM318  1个；  UA741  1个