模拟电子电路课程设计——正弦波-三角波-方波函数发生器

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：

题目：正弦波－三角波－方波函数发生器

初始条件：

具备模拟电子电路的理论知识；具备模拟电路基本电路的设计能力；具备模拟电路的基本调试手段；自选相关电子器件；可以使用实验室仪器调试。

要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）

1、频率范围三段：10～100Hz，100 Hz～1KHz，1 KHz～10 KHz；

2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；

3、幅度连续可调，线性失真小；

4、安装调试并完成符合学校要求的设计说明书

时间安排：

一周，其中3天硬件设计，2天硬件调试

指导教师签名：年月日

系主任（或责任教师）签名：年月日

目录

1.综述．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.1信号发生器概论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1 1.2 Multisim简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2

1.3集成运放lm324简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3

2.方案设计与论证．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.1方案一．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 2.2方案二．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4

2.3方案三．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

3.单元电路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 3.1正弦波发生电路的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 3.2正弦波变换成方波的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8 3.3方波变换成三角波的工作原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

3.4正负12V直流稳压电源的设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

4.电路仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

4.1总波形发生电路．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

4.2正弦波仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13

4.3方波仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

4.2三角波仿真．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

5.实物制作与调试．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

5.1焊接过程．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

5.2 实物图．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

5.3调试波形．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18

6.数据记录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

7.课设总结．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．20

8.参考书目．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

9.附录．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22 本科生课程设计成绩评定表．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．24

1.综述

1.1信号发生器概论

在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。

波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形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，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。根据用途不同，有产生三种或多种波形的波形发生器，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)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。

现在,我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出正弦波、方波、三角波的简易发生器。

众所周知，制作函数发生器的电路有很多种。本次设计先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，这是一种频率可调的移相式正弦波发生器电路，其频率稳定一般为实验所确定，然后可以通过改变电容值来改变再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。它的制作成本不高，路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源。

信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。该函数发生器要求能输出频率范围可调的正弦波、方波和三角波，能够很好的实现本次试验的目的,将一些线性和非线性的元件与集成运放组合,输出性能良好的波形.由正弦波、方波或三角波的发生器产生相应的信号，通过相互转换实现多种波形的输出。正弦波可以由RC正弦波振荡电路产生，之后通过过零比较器可产生方波，再积分可得三角波。通过调节 RC 振荡电路中的振荡电阻来实现频率可调。通过调节比例运算电路的反馈电阻来实现幅度可调，最终做成要求的函数发生器。

1.2 Multisim简介

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

1.2.1 multisim 10概述:

1.通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路。

2.通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为。

3.借助高级电路分析,理解基本设计特征。

4.通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试。

5.通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。

1.2.2直观的捕捉和功能强大的仿真：

NI Multisim软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借NI Multisim，可以立即创建具有完整组件库的电路图，并利用工业标准SPICE模拟器模仿电路行为。借助专业的高级SPICE分析和虚拟仪器，能在设计流程中提早对电路设计进行的迅速验证，从而缩短建模循环。与NI LabVIEW和SignalExpress软件的集成，完善了具有强大技术的设计流程，从而能够比较具有模拟数据的实现建模测量。

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相

脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。

1.3 集成运放lm324简介

LM324系列器件带有差动输入的四。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

图1.3 lm324引脚连接图

LM324系列由四个独立的，高增益，内部频率补偿运算放大器，其中专为从单电源供电的电压范围经营。从分裂电源的操作也有可能和低电源电流消耗是独立的电源电压的幅度。

应用领域包括传感器，直流增益模块和所有传统的运算放大器可以更容易地在单电源系统中实现的电路。例如，可直接操作的LM324系列，这是用来在数字系统中，轻松地将提供所需的接口电路，而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。

关键词：正弦波方波三角波函数信号发生器 multisim

2.方案设计与论证

2.1方案一

图2.1 方案一

本方案先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，电路框图如图2.1。用迟滞比较器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，然后，采用差分放大器，作为三角波—正弦波变换电路利用差分对管的饱和与截止特性进行变换，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时，可以有效地抑制零点漂移，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。此电路的输出频率就是方波-三角波产生电路的频率，将正弦波用比较器进行比较产生方波，调节比较电位，使得方波的占空比可以改变。但在实际操作中难以调试出正弦波，原因是差分电路难以达到绝对的对称。故未采用此方案。

2.2方案二

图2.2 方案二

本方案中正弦波与三角波的产生与方案二相同，用迟滞比较器与反相积分器首尾相串联构成方波-三角波产生电路，但三角波到正弦波的变换电路采用的是有源RC 二阶低通选频电路，电路框图如图2.2。

此电路结构、思路简单，运行时性能稳定且能较好的符合设计要求，但是由于有源RC 二阶低通滤波电路中的电容是与输出端相接，相当于形成一正反馈，若正反馈过大，可能引起滤波器自激，故未予采用。

2.3方案三

正弦波 方波 三角波

图2.3 方案三

RC 正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如图2.3。先通过RC 正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。正弦波振荡电路是一种自己振荡电路，其实质是放大器引正反馈的结果。由放大电路、正反馈网络和选频网络组成。它没有输入信号，而是通过电路中的噪声经过选频产生。该方案思路清晰，产品易制作，本次实验课设我们采取该方案。

积分电路

RC 正弦波振荡电路

过零比较器

3.单元电路设计

3.1正弦波发生电路的工作原理

3.1.1产生正弦振荡的条件:

正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路；反馈网络；选频网络；稳幅电路个部分。

3.1.2正弦波振荡电路的组成判断及分类：

(1)放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值

的输出值，实现自由控制。

(2)选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电

路产生正弦波振荡。

(3)正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。

稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。

3.1.3判断电路是否振荡的方法：

(1)是否满足相位条件，即电路是否正反馈，只有满足相位条件才可产生振荡。

(2)放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；

(3)是否满足幅度条件。

3.1.3正弦波振荡电路检验：

(1)则不可能振荡；

(2)振荡，但输出波形明显失真；

(3)产生振荡。振荡稳定后。此种情况起振容易，振荡稳定，

输出波形的失真小。

3.1.3分类：

按选频网络的元件类型，把正先振荡电路分为：RC正弦波振荡电路；LC正弦波振荡电路；石英晶体正弦波振荡电路。

3.1.4 RC正弦波振荡电路：

常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。串并联网络在此作为选频和反馈网络。

图3.1 RC 桥式正弦波振荡电路 RC 桥式正弦波振荡电路的构成如图所示。当RC 1wo w ==时，RC 选频网络的相移为零，这样RC 串并联选频网络送到运算放大器同向输入端的信号电压Vi 与输出电压Vo 同相，所以RC 反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。为使在震荡建立期间信号做增幅震荡，应选择R1和R2可使Af ≥3，保证。因此它的起振条件为： ；它的振荡频率为： 。它主要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC 正弦波振荡电路。它的振荡频率为： 。此外，石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定，它常用于振荡频率高度稳定的的场合。

RC 文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠两个并联的二极管组成的，当输出信号较小时，二极管工作电流小，动态电阻大，电路的增益较大，引起增幅震荡过程。当输出幅度达到一定程度，二极管工作电流大，动态电阻小，电路的增益下降，电路的输出电压幅值将不再上升，从而使输出电压稳定，以此来达到稳幅的目的。

3.2正弦波变换成方波的工作原理

3.2.1电压比较器的功能

电压比较器是用来比较两个电压大小的电路，它的输入信号是模拟电压，输出信号一般是只有高电平和低电平两个稳定状态的电压。利用电压比较器可将各周期性信号转换成矩形波。

3.2.2过零比较器

参考电压为零的比较器称为过零比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种过零比较器，通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。

图3.2.1 过零比较器

本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号，其传输特性曲线如下图所示：

图3.2.2 传输特性曲线

3.3 方波变换成三角波的工作原理

方波经过积分器就变成了三角波。但是此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。

图3.3.1 积分电路原理

Vo-Vi 为积分关系，负号表示输入和输出信号相位相反。当Vi 为定值时，电容将恒流充电，输出电压为： t RC

Vi Vo -

=

当积分器输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：

图3.3.2 三角波发生器工作波形

图3.3.2 积分电路仿真图

3.4正负12V直流稳压电源的设计

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，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

3.4.1设计原理

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图所示：

图3.4.1直流稳压电源设计框图及波形

3.4.2各部分作用

1、电源变压器T：作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。

2、整流电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。

3、滤波电路：经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用，为减少其交流成分，常在整流电路后接滤波电路。滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其输出平滑的直流电压，这里我们采用接入滤波电容来组成滤波电路。

4、稳压电路：常用的稳压电路有两种形式：一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。二者的工作原理有所不同。稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。

3.4.3具体电路设计

在整流电路中我们采用全波整流桥，该电路的整流效果和输出电压波形为单项半波整流的两倍，在稳压电路中采用CW7812和CW7912型号的这两个集成稳压器芯片组成的具有同时输出固定的+12V、-12V电压的稳压电路。该电路对称性好，温度特性也近似一致。

图3.4.2 直流稳压电源电路图

3.4.4稳压电源的性能指标及测试方法

稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。

4.电路仿真

4.1 总波形发生电路

图4.1正弦波－方波－三角波函数发生器

该电路分为三部分，第一部分为RC桥式正弦振荡电路，其功能是利用RC振荡产生特定频率的正弦波；第二部分为过零电压比较器电路，其功能为将正弦波转成方波；第三部分为积分电路，其功能为利用积分电路将方波转成三角波；此外，在积分电路之前设置一个电压跟随器，起到隔离作用，使过零电压比较器电路与积分电路不相互影响。

确定电路元器件参数：稳压管的作用是限制和确定方波的幅度，因此方波正负半周的对称性与稳压管性能有关。因此选用稳压管时，要选择性能好一些的两个管性能对称的稳压管，最好选用双向稳压管；R3是稳压管的限流电阻，阻值根据稳压管的电路确定；Rp1和Rp2给比较器提供门限电平，他们可以决定三角波的幅值.因此Rp1和R2的值应根据三角波的幅值决定。一般为了使三角波的幅值可调，常用电位器作为Rp1、Rp2和电容C的值决定三角波的频率f。一般是Rp1和R2的值确定后，可以先确定电容C的值，然后由f。=R2/（4Rp2Rp1C）来确定R4的值.Rp2若采用电位器，则三角波频率可调。为了减小积分漂移，电容C的值尽量取大些，但是C值越大漏电也越大，因此一般C不超过1uF；集成运放的选择用于比较器的运放要求速度应该高些。

通过改变反馈网络中的变阻RP3的阻值可以改变正弦波的输出波形的幅值；之后方波的输出波形也随之确定；通过改变变阻RP4的阻值可以改变三角波的输出波形的幅值。

4.2正弦波仿真

在变阻RP1、RP2百分比分别为50%，RP3百分比为25%，示波器输出的波形如下图所示。

图4.2正弦波仿真视图

由图可知T1的时间为1.315s，通道A为-1.660V。T2的时间为1.338s，通道A 为1.658V。由此可知仿真出的正弦波的幅值为：1.660V；峰-峰值为：3.318V；周期为46.154ms。

4.3方波仿真

图4.3方波仿真视图

由图可知T1的时间为736.976ms，通道A为-6.834V。T2的时间为760.908ms，通道A为6.812V。由此可知仿真出的正弦波的幅值为：6.812V；峰-峰值为：13.646V；周期为47.864ms。

4.4三角波仿真

图4.4三角波仿真视图

由图可知T1的时间为5.516s，通道A为-2.554V。T2的时间为5.180s，通道A 为2.513V。由此可知仿真出的正弦波的幅值约为：2.554V；峰-峰值为：5.067V；周期为24.786ms。

5.实物制作与调试

5.1焊接过程

1、在排版排线时注意疏密得体，各线方向最好一致，各个焊点之间独立，以免造成线路短路。

2、焊接电路时，注意焊接完成后，将烙铁头放回原位并关掉电源，避免造成旁人不经意受伤。

3、电路焊接完成后，在示波器上没能显示出波形。寻找电路焊接的错误，然后对电路进行修改，最终在示波器上显示出设计要求的波形。

4、调试时，积分电路中的三角波底部出现失真。在积分电路上并联一个100K微调电阻和一个0.1uF电容，通过调节电阻。最后得以实现三角波。

5、设计过程中，要注意与组员协调合作，分工有序，否则会造成不必要的错误，导致整个设计的失败。

6、焊接芯片时，注意正负极以及各引脚的排序，避免焊接时电路连接错误，造成波形不能显示。

5.2实物图

总体外观：

图5.2.1总体外观拍摄图

信号发生器正面：

图5.2.2信号发生器正面拍摄图信号发生器背面：

图5.2.3信号发生器背面拍摄图

直流稳压电源正面：

图5.2.4直流稳压电源正面拍摄图直流稳压电源背面：

图5.2.5直流稳压电源背面拍摄图5.3调试波形

图5.3.1正弦波调试

实际调试中输出的正弦波波形如上图所示。其中Vmax=1.64V；Vmin=-1.64V；峰-峰值为3.28V。

5.3.2方波

图5.3.2方波调试

实际调试中输出的方波波形如上图所示。其中Vmax=7.00V；Vmin=-10.2V；峰-峰值为17.2V。