多波形函数信号发生器的设计

中文摘要

多波形函数信号发生器的设计

摘要：多波形信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。它根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。本设计主要是通过运算放大器，差分放大器来实现方波转换成三角波，再将三角波转换成正弦波。设计时主要通过EWB软件来实现仿真。

关键词：函数信号发生器、误差分析、正弦波、三角波、方波

英文摘要

Design of Function generator

Abstract

Multi-waveform signal generator is industrial production, product development, scientific research in areas such as the necessary tools, it generates sawtooth and sine wave, rectangular wave, triangle wave is the basic test signals commonly used. It according to different purposes, there have three or more of the function generator waveforms, the circuit device can be used in the separation device, the device can also be integrated to produce square wave, sine wave, triangle wave has a variety of programs, Have a sine wave such as the first, according to a cyclical and non-sine wave of a sine wave was determined by the function, and then through the shaping circuit into a square wave to sine wave, after integration into the circuit after the triangular wave. Can also have a triangular wave - square, triangle or square wave and then into a sine wave. This design mainly through operational amplifiers, differential amplifiers to achieve a square wave into a triangle, then triangle into a sine wave.Designed primarily to achieve through the EWB simulation software.

K eyword：square signalgenerator, error analysis, sine wave, rectangular wave, triangle wav

目录

1 引言.......................................................... - 4 - 2函数信号发生器设计要求及过程.................................. - 5 - 2.1函数信号发生器设计要求 (5)

2.2函数信号发生器电路设计的基本原理 (5)

2.3运算放大器的介绍 (6)

2.3.1迟滞电压比较器......................................... - 6 -

2.3.2 积分电路.............................................. - 8 - 2.4差分放大器的介绍 (9)

3总体电路设计 (10)

3.1方波—三角波产生电路的设计 (10)

3.2三角波—正弦波变换电路的设计 (14)

4.1EWB软件的简介 (18)

4.1.1 EWB软件的概述........................................ - 18 -

4.1.2 EWB软件的基本操作方法................................ - 18 - 4.2函数信号发生器的仿真过程及结果 (19)

4.2.1使用EWB对电路进行设计和实验仿真的基本步骤............ - 19 -

4.2.2方波—三角波信号发生器电路的装调及仿真结果............ - 19 -

4.2.3三角波—正弦波变换电路的装调和仿真.................... - 20 - 结论........................................................... - 23 - 参考文献（REFERENCES）......................................... - 24 - 致谢........................................................... - 25 -

多波形函数信号发生器的设计

1 引言

信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。

自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号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，能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。

函数信号发生器是一种常用信号源，它广泛地应用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。它能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形，因其时间波形可用某种时间函数来描述而得名。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的应用。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视信号发生器、脉冲编码信号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发

生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。但也可以通过频率合成技术来获得所需频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数信号发生器，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），也可以是集成电路（如单片集成电路函数信号发生器ICL8038）。本课题主要介绍由集成运算放大器与晶体差分放大器组成的方波—三角波—正弦波函数信号发生器的设计方法。

2函数信号发生器设计要求及过程

2.1 函数信号发生器设计要求

1. 频率调节部分技术要求：

（1）输出信号频率1Hz到100Hz可调。实现（1Hz-10Hz，10Hz-100Hz）频段连续可调。

（2）频率稳定度不劣于10－4

2. 输出波形部分技术要求

（1）方波输出信号的峰峰值V

-；

≤

p

Up24

(2)三角波输出信号幅度峰峰值V

-；

=

Up8

p

(3)正弦波输出信号的峰峰值V

-。

≥

p

Up1

2.2 函数信号发生器电路设计的基本原理

产生正弦波、方波和三角波的方案有很多种，比如先产生正弦波，然后通过整形电路的正弦波变换成方波，再由积分电路将方波转换成三角波；也可以先产生三角波—方波，再将三角波变换成正弦波或将方波变换成正弦波等等。本课题研究先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，其电路组成如图1所示：

图1函数信号发生器组成框图

2.3 运算放大器的介绍

集成运算放大器是一种十分理想的增益器件，常简称为运放，是具有很高放大倍数的电路单元，在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。尤其在模拟集成电路中，它的应用最广，几乎涉及模拟信号处理的各个领域。本设计中应用到的集成运算放大器是迟滞电压比较器和积分电路，下面将它们一一介绍：

2.3.1迟滞电压比较器

电压比较器（Voltage Comparator ）的作用是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平的电压，以满足后面连接的数字电路对1和0两个逻辑电平的要求。电压比较器广泛应用于信号处理和检测电路、波形产生电路、A/D 和D/A 转换电路等。将比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，如图2（a ）所示，待比较电压1u 加在反相输入端。通常将这种电路称为迟滞比较器（Hysteresis Comparator ），又称施密特触发器（Schmitt Trigger ）。在理想情况下，它的比较特性如图2（b ）所示。由图可见，它有两个门限电压，分别称为上门限电压+i U 和下门限-i U ，两者的差值称为门限宽度或迟滞宽度（Hysteresis Voltage ），即：

-+-=?i i U U U

假设比较器输出高电平

OH U ，则OH U 和REF U 共同加到同相输入端的合成电压为

REF OH U R R R U R R R U 2

112121+++= 当1u 由小增大地通过1U 时，输出电压由OH U 下跃到OL U 。可见，上式所示的1U 就是比较器的上门限电压，即1U U i =+。

当比较器输出为低电平OL U 时，按同样的分析求得加到同相输入端合成电压为

REF OL U R R R U R R R U 2

112122+++= 若1u 由大减小地通过2U ，则输出电压由OL U 上跃到OH U 。可见，上式所示的2U 就是比较器的下门限电压，既2U U i =-。相应的门限宽度为

)(2

12OL OH i i U U R R R U U U -+=

-=?-+ 调节1R 和2R ，可以改变U ?。 21543R

R 2

R 3

R 1

D 1

D 2

U RE F

U 1

图2（a ）迟滞电压比较器

O U

OH U

-i U +i U

OL U

图2（b ）迟滞电压比较器比较特性

2.3.2 积分电路

积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。它可以使输入方波转换成三角波或者斜波，也可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛物波。积分电路被广泛的用于自控系统中的调节环节中，此外还广泛应用于波形的产生和变换以及仪表之中。

图3为有源积分电路。由图可见，输入信号电压S u 在R 中产生的电流R u i s ≈1。这个电流全部转移到反馈支路，向C 充电，形成相应的输出电压o u 。若C 上的起始电压为零，则

??-=-=t

s t o dt u RC dt i C u 0

0111 实现理想的积分运算。

215

43

C

R R L +-

U s U 0

+

-i1

图3积分电路

2.4 差分放大器的介绍

差分放大器（Differential Amplifier ），又称差动放大器，它是另一类基本放大器，它是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡输入和输出，也可以是单端（非平衡）输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。 广泛应用于集成电路中。

差分放大器的基本电路如图4所示。它是由两个对称的共发放大器通过发射极电阻EE R 相耦合而成的。一般采用正、负两个极性的电源供电，且||EE V Vcc 。它有两个输入端，分别作用着输入信号电压1i U 和2i U ；有两个输出端。输出信号或从其中任一个集电极取出，称为单端输出，或从两个集电极之间取出，称为双端输出或浮动输出.

R c R L

R c

R L R EE +-

U i1

V CC

T2T1U i2

-+

V EE

图4差分放大器电路 3 总体电路设计

3.1方波—三角波产生电路的设计

图5所示的电路是能自动产生方波—三角波信号。电路工作原理如下：运算放大器1A 与1R 、2R 及3R 、1RP 组成迟滞电压比较器，1C 称为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即，即0=-U ，同相端接输入电压i U ，1R 称为平衡电阻。迟滞电压比较器的输出1o U 的高电平等于正电源电压Vcc +，低电平等于负电源电压|)||(|EE EE V Vcc V -=+-。当-≤+U U 时，输出01U 从高电平Vcc +翻转到低电平EE V -；当-≥+U U 时，输出01U 从低电平EE V -跳到高电平Vcc +。