信号发生器设计书

题目名称：信号发生器（一）姓名：姚添珣班级：电气N112班学号：201145679204日期：2013/7/4模拟电子技术课程设计任务书适用专业：电气工程及自动化专业设计周期：一周一、设计题目：信号发生器（一）二、设计目的1、研究正弦波等振荡电路的振荡条件。

2、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。

三、设计要求及主要技术指标设计要求：设计并仿真能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。

1、方案论证，确定总体电路原理方框图。

2、单元电路设计，元器件选择。

3、仿真调试及测量结果。

主要技术指标1、正弦波信号源：信号频率范围20Hz～20kHz 连续可调；频率稳定度较高。

信号幅度可以在一定范围内连续可调；2、各种输出波形幅值均连续可调，方波占空比可调；3、设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限，还可以进一步测出其输出电压的范围。

四、仿真需要的主要电子元器件1、运算放大电路2、滑线变阻器3、电阻器、电容器等五、设计报告总结（要求自己独立完成，不允许抄袭）。

1、对所测结果（如：输出频率的上限和下限，输出电压的范围等）进行全面分析，总结振荡电路的振荡条件、波形稳定等的条件。

2、分析讨论仿真测试中出现的故障及其排除方法。

3、给出完整的电路仿真图。

4、体会与收获。

第1章方案论证与比较1.1 方案提出方案一：首先由RC桥式正弦波振荡器产生正弦波信号，然后用迟滞比较器将正弦波信号转换为方波信号，最后经过积分器将方波信号转换为三角波信号。

正弦波方波三角波方案二：首先，（比较器和积分器组成方波-三角波产生电路）把迟滞比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，则比较器输出的方波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，最后通过差分放大器将三角波信号转换为正弦波信号。

方波三角波正弦波方案三：（将方案二中产生正弦波的差分放大器换成RC桥式正弦波振荡器。

）首先，由RC桥式振荡器产生正弦波信号，再经过迟滞比较器将正弦波信号转化为方波信号，而迟滞比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，则比较器输出的方波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波。

正弦波方波三角波1.2 设计方案的论证和选择：方案一为开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波失真较小。

但它对于三角波的产生有一定的麻烦，设计要求频率连续可调，故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的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大为改善。

但它的差分电路比较复杂，并且在运行过程中容易导致信号的失真，对元件的要求较高。

方案三较方案二将差分电路换成了RC桥式正弦波振荡电路，RC桥式正弦波振荡电路具有电路简单，波形失真小，频率调节方便等优点，迟滞比较器是采用最为广泛的电压比较器，具有抗干扰性强的优点。

综上所述，本设计选择方案三。

第2章系统的功能及设计框图2.1 系统的全部功能、要求及技术指标系统功能：产生频率在一定范围内的正弦波、方波、三角波，频率稳定度较高，并且频率幅度连续可调，输出波形连续可调，占空比可调。

要求：设计并仿真能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形。

技术指标：1、正弦波信号源：信号频率范围20Hz～20kHz 连续可调；频率稳定度较高。

信号幅度可以在一定范围内连续可调；2、各种输出波形幅值均连续可调，方波占空比可调；3、设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限，还可以进一步测出其输出电压的范围。

2.2 确定设计框图（系统包含的单元电路及结构）和总体设计方案本设计采用方案一，设计框图如下：正弦波方波三角波总体设计方案：首先，由RC桥式振荡器产生正弦波信号，再经过迟滞比较器将正弦波信号转化为方波信号，而迟滞比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，则比较器输出的方波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波。

RC桥式正弦波振荡电路具有电路简单，波形失真小，频率调节方便等优点；迟滞比较器是采用最为广泛的电压比较器，具有抗干扰性强的优点，且该比较器只要使电容的正向和反向充电时间常数不同则占空比可调；积分电路由运放组成，因此可实现恒流充电，使三角波线性大为改善。

2.3 单元电路的分析与设计图2-1 RC桥式振荡器R、C串、并联电路构成正反馈支路，同时兼作选频网络，R1、R2、R3、R6及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。

调节电位器R6可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。

利用两个反相并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。

调整负反馈电阻使电路起振且波形失真最小。

改变选频网络的参数C或R即可调节振荡频率。

如图2-1所示。

图2-2 方波-三角波发生器把迟滞比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统。

在比较器上调节R8即可改变方波占空比，而由于采用运放组成的积分电路。

因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。

如图2-2所示。

第3章系统仿真调试分析3.1 软件仿真原理图图3-1 信号发生器仿真3.2 模拟仿真过程所有波形正常：开始时，调整RC桥式振荡器反馈电阻使电路起振，且波形失真最小，产生的正弦波信号的A v=1+R f/R1略大于3，达到稳定平衡状态时，A v=3，F v=1/3。

由RC桥式振荡器产生的正弦波信号，再经过迟滞比较器将正弦波信号转化为方波信号，而迟滞比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统，则比较器输出的方波经积分器积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波。

具体显示如图3-2，图3-3所示：图3-2 正弦波起振时和稳定振荡时的电压波形图3-3 方波-三角波频率可调：该电路中振荡电路的选频网络由R、C元件组成，f=f0=1/（2πRC），调节R、C的值即可改变频率。

一般采用改变电容C作频率量程切换，而调节R作量程内的频率细调。

信号幅度/输出波形幅值可调：通过调节RC桥式振荡器中的电位器R6可以调节信号幅度，调节电位器还能调节输出波形幅值。

如图3-4所示：图3-4 信号幅度可调方波占空比可调：通常将方波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比。

如需改变方波占空比，只需适当改变电容C的正、反向充电时间常数即可。

在图2-2中，当比较器输出端为高电平时，D4导通而D3截止，正向充电时间常数为（R7+R8下部分）C1；当比较器输出端为低电平时，D3导通而D4截止，反向充电时间常数为（R7+R8上部分）C1。

故调节电位器R8即可改变占空比。

如图3-5所示：图3-5 方波占空比可调3.3 各项指标测试频率上限：如图3-6所示，往小调节R、C串、并联选频网络上的R与C的值，直到输出波形不失真的情况下频率最大，该频率即为频率上限。

图3-6 频率上限及此刻输出波形频率下限：与调节频率上限差不多，只是R、C的值应该往大调，使得f最小。

如图3-7所示：图3-7 频率下限及此刻输出波形正弦波输出电压：在波形不失真的情况下调节电位器，待波形稳定后，得到正弦波输出电压峰值约为4.5V。

如图3-8所示：图3-8 正弦波输出电压峰值方波-三角波输出电压：在波形不失真的情况下调节电位器，待波形稳定后，得到方波输出电压峰值约为9V，三角波输出电压峰值约为6V。

如图3-9所示：图3-9 方波-三角波输出电压峰值第4章结语在本设计方案中，起振要在稳幅环节中调节电位器改变负反馈深度以满足起振条件，频率范围在180HZ~5KHZ，频率的调节主要是依靠R、C串、并联选频网络的调整来实现的，可变R、C的范围不一样，调出来的频率范围也不一样。

输出电压可调，但在峰值上时电压值和波形都最稳定，其他值上电压值和波形不稳定。

占空比主要是依靠改变电位器的上下部分的比值来调节电路中电容正、反向充电时间常数，从而调整了占空比。

RC桥式振荡电路、方波-三角波电路互相影响，每一个环节都要处理好，否则很容易出现各种各样的问题。

由于本设计方案中方波电路与三角波电路形成了一个正反馈，所以正弦波电路最好不要与方波-三角波电路的输入端相连，并且若是与地端相连，因在地与正弦波电路输出端之间串一个适当阻止的电阻，以免正弦波输出端直接接地，读不出波形。

方波占空比的调节需要依靠原理建立出一个电容充电时间常数可变的电路来实现。

当波形输出不正常或主要指标不达标时，应尝试着调节相关电位器来改善电路。

起初，波形出不来，就反复想着起振条件，然后去调试每个线路上元件的值，调整了2、3个小时终于把波形弄出来了，之后因为要去测试主要指标是否达到，所以不断地在调试电路，改变元件数值，甚至是大幅度改变电路去构想一个新电路来提高性能，发现调试也有手感这回事，越熟练调试时间越短。

随着调试时间的越来越短，调试范围的越来越广，也越来越有成就感，这是一次很有趣很有收获的课程设计，更是一个毕生难忘的第一次。

在这次课程设计当中，我们不仅学习到了一个新软件的操作，还对波形发生器和模电有了更深层次更加全面的理解，更加增强了我们对电气学习的耐心热情与信心以及对未来的工作有了更贴切的领悟。

希望以后有更多这样的机会让我们去证明自己，去爱上学习，爱上实践。

第5章参考文献康华光电子技术基础模拟部分（第五版）高等教育出版社，2012年曹泰斌电工电子技术实验清华大学出版社，2012年。