多种波形发生器_设计论文

《电子技术》

课程设计说明书

题目名称：多种波形发生器的设计姓名：xxx

学号：xxx

班级：xxx

指导教师：xxx

2013年1 月 4 日

摘要

波形发生器是一种能够产生大量标准信号和用户定义信号，具有高精度、可重复性、易操作性、对频率、幅值、相移、波形进行动态及时的控制的一类新型信号源。

本设计的设计方案是把滞回比较器和积分器首尾相接组成一个正反馈闭环系统，则比较器输出的方波经过积分器可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成法波；三角波—正弦波的转换电路主要由差分放大电路来完成，差分放大电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效抑制零点漂移，因此可以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。

关键词：信号源；滞回比较器；积分器；波形发生器

多种波形发生器的设计背景

波形发生器是随着众多领域对于复杂的、可由用户定义的测试波形的需要而形成和发展起来的，它的主要特点是可以产生任何一种特殊波形，输出信号的频率、电平以及平滑低通滤波的截至频率也可以作到程序设置，因此在机械性能分析、雷达和导航、自动测试系统等方面得到广泛的应用。而对AWG的控制、数据传输、输出信号的频率和电平设置都可以通过微机打印口在EPP工作模式下设计完成。这样不仅具有设计简单，占用微机资源较少的优点，而且操作简单，使用方便，易于硬件升级。

波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，具有高精度、可重复性、易操作性、连续的相位变换和频率稳定性，还可以对频率、幅值、相移、波形进行动态及时的控制。随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新型信号源。

目录

1.摘要 (2)

1.设计目的 (4)

2.设计任务、要求及设计内容 (4)

2.1任务 (4)

2.2要求 (4)

2.3设计方案 (5)

3. 多种波形发生器原理电路设计 (5)

3.1各方案原理框图及论证 (5)

3.2电路图和接线图及工作原理 (6)

3.3各部分电路设计 (8)

3.4 电路的参数选择及计算 (13)

3.5电路仿真 (15)

3.6系统仿真结果、数据分析和处理结果、报告 (17)

3.7 方波---三角波发生电路的实验结果 (19)

3.8三角波---正弦波发转换电路的实验结果 (19)

3.9 实测电路波形、误差分析及改进方法 (20)

4. 仪器仪表明细清单 (20)

5.总结 (21)

6. 主要参考文献 (21)

一、设计目的

（1）对波形的产生及与变换电路有关的电子电路知识有大致的理解。

（2）能对多种波形信号输出的波形发生器有一定的认识，知道其功用。

（3）通过平日的学习，找到正弦波等振荡电路的振荡条件。

（4）学会使用EDA软件Multisim对电子电路进行仿真设计，并准确画出框图

（5）学习波形产生、变换电路的应用及设计方法以及主要技术指标的测试方法。（6）提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写课程

设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。

二、设计任务、要求及设计内容

2.1任务

设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。

2.2要求

2.2.1技术要求

（1）通过发挥自己的创造性，有所发挥，并力求设计方案凝练可行、思路独特、效果良好：

（2）输出的各种波形工作频率范围0.02Hz~20kHz连续可调；

（3）正弦波幅值V

10

±，失真度小于1.5%；

（4）方波幅值V

±；

10

（5）三角波峰—峰值20V；

（6）设计电路所需的直流电源；

（7）用EDA软件设计；

2.2.2设计要求

（1）分析设计要求，明确性能指标。构思出各种总体方案，绘制结构框图。

（2）确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、并考虑器件的来源，敲定可行方案。

（3）设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

（4）组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

2.3设计方案

波形产生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件获得所要求的波形信号输出。波形产生电路的关键部分是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。具体设计可参考以下思路。

①用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得方波输出（例如用施密特触发器），用积分电路将方波变换成三角波或锯齿波输出；

②利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成三角波输出，用折线近似法将三角波变换成正弦波输出；

③用多谐振荡器产方波输出，方波经滤波电路可得正弦波输出，方波经积分电路可得三角波输出；

④利用单片函数发生器568038，集成振荡器E1648及集成定时器555/556等可灵活地组成各种波形产生电路。

三、多种波形发生器原理电路设计

3.1各方案原理框图及论证

（1）方案一，框图如下图1所示：

文氏桥振荡器

直流电源三角波形成电路

频率选择控制

方波形成电路

正弦波信号

方波信号

三角波信号图1 多种波形发生器原理框图（方案一）

文氏桥振荡器（RC串-并联正弦振荡器）产生正弦波输出，其主要特点是采用RC串-并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率为f

=1/(2 RC)，改变RC的值，可得到不同频率的正弦信号输出。为了使输出电压稳定，需采用稳幅措施。用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号变换成方波信号输出。用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波或锯齿波信号输出。

（2）方案二，框图如下图2所示：

方波产生电路

直流电源正弦波形成电路

频率选择控制

三角波形成电路正弦波信号

方波信号

三角波信号图2 多种波形发生器原理框图（方案二）

图中利用滞回比较器的开关作用和具有延时作用的RC反馈网络构成多谐振器，用积分电路将方波变换成三角波信号输出，采用二极管和电阻网络（折线近似法），将三角波的尖顶削圆，得到近似正弦波信号输出。

（3）方案三，由5G8038组成的多量程、多功能信号发生器。其电路的输出信号频率可以在1Hz以下至几百KHz范围内调节，压控信号可内部选择，也可外接。输出信号可直接从2、3、9角高阻输出，也可以通过5G353低阻输出。

论证：经分析方案一结构复杂，不易于调试，不能很快的得到电路波形。方案三可同时产生方波、三角波、正弦波并输出，该信号发生器电路简单、成本低廉、调整方便。555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。由于R3+RP》R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1KHZ左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源。方案二操作简便，方案一同方案二比较，对于三角波的产生有一定的麻烦，因为题目需要频率为连续可调，但幅度稳定性难以达到要求；方案二由于采用运算放大器组成积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大为改善。由此，本设计采用方案二。能在简易环境下得到很清晰的波形。

综上,选择方案二。

3.2电路图和接线图及工作原理

3.2.1图

电路设计原理框图

图3 函数发生器电路组成框图

三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路图： 50%

R10C3R11235

4U1R2R3 50%

Rp1R4 50%Rp2

1

2354

U2C1R17C4

12V

VCC R5R6

R7

R8

R9R11

-12V

VCC1

R12

50%R13

C5

C2

R14

总设计图：

3.3各部分电路设计

3.3.1 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。

设t=0时接通电源，有Vo1=-Vz经R4向C充电，使输出电压按线性规律增长。当Vo上升到门限电压Vt，使Vp=Vn=0时，比较器输出Vo1由-Vz上升到+Vz,同时门限电压下跳到Vt-值。以后Vo1=+Vz经R4和D、R6两支路向C反向充电，由于时间常数减小，Vo迅速下降到负值。当Vo下降到门限电压Vt-使Vp1=Vn1=0时，比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。如此周而复始，产生振荡。由于电容C的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形Vo为锯齿波电压，Vo1为矩形波电压。

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电

（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图5-2-4所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负

，且方向是一致的。

半周内部都有电流流过的负载电阻R

L

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电

流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为22U (U 2

是变压器副边电压有效值)。 在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：U o1=(1.1～1.2)U 2稳压电路可选集成三端稳压器

电路模块。

忽略二极管的正向电阻，其振荡周期；T=T1+T2=2R1 R4 C/R2+2R1(R4||R6)C

=2R1R4C(R4+2R6)/R2(R4+R6)，当R6、D 支路开路，电容C 的正、反向充电时间常数相等时，此时锯齿波就变成三角波，从而电路也就变成了方波，三角波产生电路。振荡周期：T=4R1R4C/R2

3.3.2 方波---三角波转换电

路的工作原理

图3.3方波—三角波产生电路

m o p U R R R U 2132T +±=±1

31242)(4p p R R C R R R T ++

=

图3-2(a) 图3–2(b)

比较器的电压传输特性 方波----三角波变换

工作原理如下：

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

312231231

()0CC ia R RP R U V U R R RP R R RP ++=++=++++ 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为

223131

()CC CC ia R R U V V R RP R RP ---=+=++ 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为

223131

()EE CC ia R R U V V R RP R RP +-=-=++ 比较器的门限宽度2312

H CC ia ia R U U U I R RP +-=-=+ 由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71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Uo2为21422

1()O O U U dt R RP C -=+? 1O CC U V =+时，2422422

()()()CC CC O V V U t t R RP C R RP C -+-==++ 1O EE U V =-时，2422422()()()CC EE O V V U t t R RP C R RP C --=

=++ 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2231

O m CC R U V R RP =+ 方波-三角波的频率f 为

312422

4()R RP f R R RP C +=+ 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。

3.3.3三角波---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：022/1id T C E U U aI I aI e ==+ 011/1id T C E U U aI I aI e

-==+ 式中 /1C E a I I =≈

0I ——差分放大器的恒定电流；

T U ——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

44434m id m U T t T U U T t T ???- ?????=?-???- ????? 022T t T t T ??≤≤ ?????≤≤ ???

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。

R10

6.8kohm R11

20kohm

R1220kohm 12V

VCC R14

100ohm 17%100Ohm Key = d

R15R16

2kohm R172kohm

-12V VDD R1815kohm

R196.8kohm C2470uF C3

0.1uF C5470uF

Q42N2222A

Q62N2222A Q7

2N2222A Q82N2222A Uo3C6470uF

4%47kO hm

Key = c R20Uo2

图3-3(a) 三角波—正弦波变换电路

图

图3–3(b)三角波-----正弦波变换

3.4电路的参数选择及计算

3.4.1.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。

3.4.2.三角波-正弦波部分

比较器A1与积分器A2的元件计算如下。

由式（3-61）得2231

O m CC R U V R RP =+ 即2231

41123O m CC U R R RP V ===+ 取 210R K =Ω，则3130R RP K +=Ω，取320R K =Ω ，RP1为47K Ω的点位器。区平衡电阻1231//()10R R R RP K =+≈Ω

由式（3-62）312422

4()R RP f R R RP C +=+ 即314122

4R RP R RP R C ++=+RC 桥式可由四部分组成：分别为放大电路，选频网络，正反馈网络，稳幅环节。其中RC 串，并联电路构成正反馈支路，同时兼做选频网络，R1，R2，R4及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器R1，可以改变负反馈深度，以

满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1，D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1,D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。 于是O u 线性下降，1P u 也下降，直到1t t =时，1P u 略低于)0(11=N N u u ，即1p u 略低于零时，

1O u 从Z U 突跳到Z U -，同时1P u 也跳变到更低的值（比零低的多）

。可见，在1t t =前的一瞬间，01=P u ，Z O U u =1，

而从流过1R 和2R 的电流相等，则211)(R U R t u Z O =-，1t t =后，由于Z O U u -=1故电容放电，其两端压于是O u 线性上升，1P u 也上升。直到2t t =时，1P u 略大于零，1O u 从Z U -突跳到Z U 。可见，在2t t =前的一瞬间，01

=P u ，Z O U u -=1，则212)(R U R t u Z O =-， 在2t t =以后电路周而复始，循环不以，形成振荡。则根据分析可以画出1O u 和O u 的波形，如图所示。其中1O u 为方波，O u 为三角波。O u 之所以为三角波，是由于电容充放电的时间常数相等，积分电路输出电压O u 上升和下降的幅度和时间相等，上升和下降的斜率的绝对值也相等。显然，三角波O u 峰值为：Z om U R R U 12= 下面求振荡周期。由于212T t t =-，而当21t t t ≤≤时，有)(1421t t C R U U R R u Z Z O -+-

= 则Z Z Z O U R R t t C R U U R R t u 1

2124212)()(=-+-= 故241124)(2R C R R t t T =

-= 则可以在调整三角波电路时，应先调整1R 或2R ,使其峰值达到所需要的值，然后再调整4R 或C ，使频率T f 10=能满足要求。

当110Z H f Z ≤≤H 时，取210C F μ=，则42(75~7.5)R RP k +=Ω，取4 5.1R k =Ω，为100K Ω电位器。当10100Z H f Z ≤≤H 时 ，取21C F μ=以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻510R k =Ω。

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，因为输出频率很低，取345470C C C F μ===，滤波电容6C 视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，6C 可取得较小，6C 一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP 4=100欧

姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP

及电阻R*确定。

4

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。

3.5 电路仿真

3.5.1方波---三角波发生电路的仿真

图3.5（a）方波发生电路仿真

图3.5（b）三角波发生电路仿真

图3.5（c）方波—三角波发生电路仿真3.5.2 三角波---正弦波转换电路的仿真

图3.5（d）正弦波发生电路仿真

图3.5（e）三角波—正弦波发生电路仿真

3.6 系统仿真结果、数据分析和处理的结果、报告

3.6.1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。

3.6.2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。

3.6.3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R

P1与R

P2

之前，要先将其调整到设计值，

如设计举例题中，应先使R

P1=10KΩ,R

P2

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，U

O1的输出为方波，U

O2

的输出为三角波，微调R

P1

,使

三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节R

P2

，则输出频率在对应波段内连续可变。

3.6.4三角波---正弦波变换电路的装调

按照图3–4所示电路，装调三角波—正弦波变换电路。

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3–5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使三角波的输出幅度经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。如果Uo3的波形出现如图3—76所示的几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的原因及采取的措施有：

（3）钟形失真 如图（a ）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小Re2。

（4）半波圆定或平顶失真 如图（b ）所示，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*.

（5）非线性失真 如图（c ）所示，三角波传输特性区线性度差引起的失真，主要是受

到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。

3.6.5性能指标测量与误差分析

1）方波输出电压Up —p 《=2Vcc 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。可接的加速 电容C1，一般取C1为几十皮法。用示波器或脉冲测量T 。

（a ） (b) (c)

3.7方波---三角波发生电路的实验结果

C=0.01uf fmin=1.5KHZ fmax=17.8KHZ C=0.1uf fmin=158HZ fmax=3.1KHZ C=1uf fmin=53HZ fmax=3.1KHZ 最大不失真电压U=2.1V

3.8三角波---正弦波转换电路的实验结果

（1）实际电路静态工作点：

R13=15KΩ

Vc1=5.47 V Vc2=5.01V

Vb1=-0.012V Vb2=-0.014V

Ve1=-0.617V Ve2=-0.622V

Ve3=-10.559 Ve4=-10.561

Ic1=0.3265 Ic2=0.3459

Ie3=0.7205

(2) 最后波形：Uo3（正弦波） Uo2（三角波）

测量值Uo3=0.43V Uo2=0.072V

峰峰值Uo3=1.2162V Uo2=0.2036V

3.9实测电路波形、误差分析及改进方法

将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉,

C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v >1v

C1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v>1v

Xc=1/W*C,当输出波形为高频时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。

四、仪器仪表明细清单

设计所用仪器及器件

1．直流稳压电源 1台

2．双踪示波器 1台

3．万用表 1只

4．运放741 2片

5．电位器50K 2只

100K 1只

100Ω 1只

6．电容470μF 3只

10μF 1只

1μF 1只

0.1μF 2只

0.01μF 1只

7．电阻100Ω 1只

2K 2只