函数信号发生器的设计与实现

实验1 函数信号发生器的设计与实现
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课题名称：函数信号发生器的设计
摘要：采用运算放大器组成的积分电路产生比较理想的方波-三角波，根
据所需振荡频率和对方波前后沿陡度、方波和三角波幅度的要求，选择运放、稳压管、限流电阻和电容。

三角波-正弦波转换电路利用差分放大器传输特性曲线的非线性实现，选取合适的滑动变阻器来调节三角波的幅度和电路的对称性，同时利用隔直电容、滤波电容来改善输出正弦波的波形。

关键词：方波三角波正弦波
一、设计任务要求
1．基本要求：
设计制作一个函数信号发生器电路，该电路能够输出频率可调的正弦波、三角波和方波信号。

(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（误差小于20%），上升、下降沿小于10us。

(3) 三角波Uopp=8V（误差小于20%）。

(4) 正弦波Uopp1V，无明显失真。

2.提高要求：
(1) 输出方波占空比可调范围30%-70%。

(2) 自拟（三种输出波形的峰峰值Uopp均可在1V-10V内连续可调）。

二、设计思路和总体结构框图
总体结构框图：
设计思路：
由运放构成的比较器和反相积分器组成方波-三角波发生电路，三角波输入差分放大电路，利用其传输特性曲线的非线性实现三角波-正弦波的转换，从而电路可在三个输出端分别输出方波、三角波和正弦波，达到信号发生器实验的基本要求。

将输出端与地之间接入大阻值电位器，电位器的抽头处作为新的输出端，实现输出信号幅度的连续调节。

利用二极管的单向导通性，将方波-三角波中间的电阻改为两个反向二极管一端相连，另一端接入电位器，抽头处输出的结构，实现占空比连续可调，达到信号发生器实验的提高要求。

三、分块电路和总体电路的设计过程
1.方波-三角波产生电路
电路图：
设计过程：
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S R合适的运算放大器。

方波要求上升、下降沿小于10us，峰峰值为12V。

UA741转换速率为0.7V/us，上升下降沿为17us，大于要求值。

而LM318转换速率为70V/us，上升下降沿为0.17us，满足要求。

故产生方波的比较器用LM318，产生三角波的反相发生器用UA741。

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D3、D4的型号和限流电阻R0的大小。

输出方波幅度要求为12V，而U01m =±（U Z+U D），所以选用稳压值为6V的稳压管。

R0作用为限流，选择阻值2K。

③根据输出三角波的幅度要求，确定R1与R f的大小。

方波经积分得到三角波，幅度为U02m= ±R4/R3(U Z+U D)，要求中三角波峰峰值为8V，U Z+U D=6V，所以R4和R3的比值为2：3，故选取R4为20K，R3为30K。

R1为平衡电阻，阻值为R3和R4并联的值，故R1取12K。

④根据所要求的振荡频率确定R2和C的大小。

方波和三角波的振荡频率相同，为f==，此处选择C1为6800pF，R5为4.7k。

R6为平衡电阻，应与R5一致故为4.7k。

2.三角波-正弦波电路
电路图：
仿真图：
设计过程：
静态工作点：
I r=I c4+I b3+I b4=I c4+2I b4= I c4+2 I c4/β≈I c4= I c3I c4= I c3=(U cc+U ee-U be)/( R15+ R14)
设定静态工作点的要先确定I c3，本实验中，取I c3为1mA，故取R17=20K，R14 =2K。

两管输入对称，故R15 =R14 =2K。

R13用来调整电路的对称性，不能取太大，选取总阻值为100Ω的电位器。

并联电阻R8用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。

电容C2 C3 C5为隔直电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，实验中取值33uF。

C4为滤波电容，滤除谐波分量，改善正弦波形，取值20nF。

R9调节三角波的幅度，可调范围应该比较大，故取R9=100kΩ。

R9与R18为平衡电阻，取值为R9= R10=3.3KΩ。

流进T1，T2集电极电流为0.5mA，为满足其正弦波的幅度大于1V，取R16= R11=5.6kΩ，使得电流流经它们的电压降不至于很大。

三角波-正弦波变换过程：
3.总体电路
电路图：
电路设计：
由于正弦波的产生以三角波为基础，故将前一级方波-三角波电路处三角波的输出接到第二级电路的输入即完成整体电路的连接。

四、所实现功能说明
1.基本功能
接入工作电压之后可以分别产生幅度和频率可调的方波、三角波、正弦波。

方波：
三角波：
正弦波：
2.扩展功能调节占空比：
将原电路图的R5改为这样的结构，利用二极管的单向导电性，电位器的调节使两个方向串接的电阻值不同，使得电容C充电、放电的时间不同，从而实现调节占空比的扩展功能。

调节占空比电路图：
输出幅度连续可调：
将各个输出端与地之间接入大阻值电位器（小阻值电位器耗能大则信号幅度最大值达不到要求），实验中选20K电位器，电位器的抽头处作为新的输出端，实现输出信号幅度的连续调节。

输出幅度连续可调实现电路图：
3.主要测试数据
三种输出波形的输出频率在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真。

方波的峰峰值为13.72V，大于实验要求的峰峰值，误差为14.33%，小于20%，满足实验要求。

上升下降时间满足要求。

三角波的峰峰值为8.2V，误差为0.25%，小于20%，满足实验要求。

正弦波的峰峰值为4.22V，大于1V，符合要求。

输出方波占空比可调范围大于30%-70%。

三种输出波形的峰峰值U opp均可在1V-10V内连续可调满足实验要求。

4.必要的测试方法
利用直流电压源产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、幅值、频率、占空比等，用万用表测量电阻的阻值及电容容值。

五、故障及问题分析
在第一次试验中，第一级方波-三角波发生电路由于上次使用此器材箱的前
辈将电阻随意乱插在箱子位置，导致电路出现只有噪声一样杂乱无章的波形，检查电路，接线，思考良久才想到，于是将电路板重插，这次插电路板之前将整个器材箱中所有电阻用万用表测量一遍归位后终于开始。

重新测量后波形仍没出现，于是开始排错，重新检查了LM318及LM741的引脚图，发现6脚和7脚接反了，改正后波形出现，振幅符合误差范围（考虑由于双稳压管的误差），频率调节范围也达到要求，于是开始第二级电路的搭建。

第二级电路连好后，三角波峰峰值总是偏大，由于方波偏差带来三角波的误差较大，于是修改了仿真中R4原来为20K的电阻为18K，从而降低了R4/R3波
形总是出现失真，而且调节R9和R13均对波形无任何影响。

与同学讨论后将C4
的值由原定的20nF改为0.01uF，波形变为类似方波。

调节R6，改变三角波的幅度，调出正弦波形，调节R8使差分放大电路对，解决了问题。

在拓展要求的幅度连续可调实验中，电位器接入后幅度可调，但最大幅度小于10V，经过思考发现电位器阻值不够大，使得能量损耗大导致输出幅度减小。

在mutisim中模拟的时候波形还比较正常，电路设计正常，但在实际电路中为了保证波形的对称幅度以及形状，在不断的调试中更换一些电容电阻。

验收时，老师询问C4滤波电容的大小为多少合适时自己不懂答不上，后面学习后得知C4用以滤除正弦波波峰和波谷处的毛刺。

C4的容量不宜过大，具体容量的大小需要在实验中调试确定。

六、总结和结论
由于之前进行的模电实验总是比较简单，电阻电容等元件用的都不多，所以插电路板的习惯并不规范，这次实验用的元件很多，本实验用到了模电中运放比较器、积分器以及差分放大电路传输特性等知识，由于模电课在大二上学期已经
结束，所以这些知识都有些忘记，于是将相关内容复习了一遍.
本次实验对我的实践能力与理论分析能力都起到了很好的提高作用，遇到问题要冷静分析合理排查，找出错误纠正过来。

附录一MULTISIM绘制的电路原理图
电路图（包含拓展功能）：
附录二所用元器件及测试仪表清单
8050 4个2DW232 1个LM318 1个
UA741 1个二极管2个仪器：示波器,万用表,直流稳压电源
附录三实际搭建电路图（含拓展功能）：
参考文献
[1]任维政，高英，高惠平，陈凌霄《电子测量与电子电路实践》。