多功能信号发生器课程设计

课题：多功能信号发生器专业：电子信息工程
班级：1班
学号：
姓名：
指导教师：**
设计日期：
成绩：
重庆大学城市科技学院电气学院
多功能信号发生器设计报告
一、设计目的作用
1.掌握简易信号发生器的设计、组装与调试方法。

2.能熟练使用multisim10电路仿真软件对电路进行设计仿真调试。

3.加深对模拟电子技术相关知识的理解及应用。

二、设计要求
1.设计任务
设计一个能够输出正弦波、方波、三角波三种波形的信号发生器，性能要求如下：
（1）输出频率，f=20Hz-5kHz 连续可调的正弦波、方波、三角波；
（2）输出正弦波幅度V=0-5V可调，波形的非线性失真系数<=5%；
（3）输出三角波幅度V=0-5V可调。

（4）输出方波幅度可在V=0-12V之间可调。

2.设计要求
（1）设计电路，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤；
（2）测量技术指标参数；
（3）写出设计报告。

三、设计的具体实现
1、系统概述
1.1正弦波发生电路的工作原理:
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。

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。

（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。

判断电路是否振荡。

方法是：
（1）是否满足相位条件，即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产
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。

正弦波振荡电路检验，若：
(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
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。

它的电路图如下所
示：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：。

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正弦振荡电路
1.2 正弦波转换方波电路的工作原理:
在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。

因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。

而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。

从反向输入端输人的滞回比较器电路如图a 所示，滞回比较器电路中引人了正反馈。

从集成运放输出端的限幅电路可以看出，
UO＝±UZ。

集成运放反相输人端电位UP＝UI同相输入端电位
令UN=UP求出的UI就是阀值电压，因此得出
输出电压在输人电压u，等于阀值电压时是如何变化的呢？假设UI<-UT，那么UN一定小于up，因而UO＝+UZ，所以UP=+UYO。

只有当输人电压UI增大到+UT，再增大一个无穷小量时，输出电压UO才会从+UT跃变为-UT。

同理，假设UI>+UT，那么UN一定大于UP，因而UO＝-UZ，所以UP＝-UT。

只有当输人电压UI减小到-UT，再减小一个无穷小量时，输出电压UO才会从-UT跃变为+UT。

可见，UO从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的，电压传输特性如图b)所不。

从电压传输特性上可以看出，当-UT＜UI＜+UT时，UO可能是-UT，也可能是+UT。

如果UI是从小于-UT，的值逐渐增大到-UT<UI<+UT，那么UO应为+UT；如果UI从大于+UT的值逐渐减小到-UT<UI<+UT，那么应为-UT。

曲线具有方向性，如图b)所示。

实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输人电压足够大时，输出电压UO才为±UZ。

UO在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中，随着UI的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。

滞回比较器中引人
了正反馈，加快了UO的转换速度。

例如，当UO＝+UZ、UP=+UT时，只要UI略大于+UT足以引起UO的下降，即会产生如下的正反馈过程：UO的下降导致UP下降，而UP的下降又使得UO进一步下降，反馈的结果使UO迅速变为－UT，从而获得较为理想的电压传输特性。

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：
正弦波传输特性
1.3 方波转换成三角波电路的工作原理：
当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：
2、单元电路设计与分析
2.1 正弦波发生电路的设计
本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，其电路图如下所示
RC桥式正弦振荡电路
回路串联两个并联的二极管，如上图所示串联了两个并联的该电路R
f
1BH62，这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。

此时输出电压系数为
A
u =1+(R
f
+r
d
)/R
1
RC振荡的频率为：f
=1/(2∏RC)
该电路中，C=1uF
f
=1/(2*3.14*R*10-6)≈20Hz——〉R=8000欧
f
=1/(2*3.14*R*10-6)≈5000Hz——〉R=30欧≈0 所以可变电阻的范围是0-8k欧。

用Multisim10.0对电路进行仿真得到下图
仿真波形
从图中可得出产生的正弦波U=3.9V;
T=1.9×4≈7.6ms.
F
=1/T=131Hz.
仿真得出的数据在理论值范围之内，电路正确。

2.2 正弦波转换方波电路的设计
本电路中采用滞回电压比较器将正弦波转成方波，其电路原理如下图所示
滞回电压比较器电路原理图
滞回电压比较器原理前面有描述，此处不赘述。

本电路中用到的稳压管，其稳压电压为24V
电路中阈值电压为：
U
T1=
R2
R1
R2
+
U REF-
2
R
1
R
1
R
+
U
Z
U
T2=
R2
R1
R2
+
U REF+
2
R
1
R
1
R
+
U
Z
本电路中U REF=0，所以
U
T1=-
2
R
1
R
1
R
+
U
Z
U T2=
2
R
1
R
1
R
+
U
Z
用Multisim10.0对其进行仿真得到如下波形图
波形仿真：
从波形中可以得到方波电压为±12.7V,与理论误差不大，可得出电路是正确的。

2.3 方波转换成三角波电路的设计
本电路中方波转成三角波采用积分电路，其电路原理如下图所示
积分电路图
积分电路U 0=- 2
1
)(RC 1
t t dt t u +u 0(t 1) 电路仿真如下图所示
电仿真中三角波,Umax=5.4V
2.4仿真电路。