函数信号发生器实验报告

函数发生器设计（1）

一、设计任务和指标要求

1、可调频率范围为10Hz~100Hz 。

2、可输出三角波、方波、正弦波。

3、三角波、方波、正弦波信号输出的峰-峰值0~5V 可调。

4、三角波、方波、正弦波信号输出的直流电平-3V~3V 可调。

5、输出阻抗约600Ω。

二、电路构成及元件参数的选择 1、振荡器

由于指标要求的振荡频率不高，对波形非线性无特殊要求。采用图1所示的电路。同时产生三角波和方波。

图1 振荡电路

根据输出口的信号幅度要求，可得最大的信号幅度输出为：

V M =5/2+3=5.5V

采用对称双电源工作（±V CC ），电源电压选择为： V CC ≥V M +2V=7.5V 取V CC =9V

选取3.3V 的稳压二极管，工作电流取5mA ，则：

V Z =V DZ +V D =3.3+0.7=4V 为方波输出的峰值电压。

OM Z CC Z 3Z Z V -V V -1.5V-V 9-1.5-4

R ==700ΩI I 5≈=（）

取680Ω。

取8.2K Ω。

R 1=R 2/3=8.2/1.5=5.47（K Ω）

取5.1K Ω。

三角波输出的电压峰值为：

V OSM =V Z R 1/R 2=4×5.1/8.2=2.489（V ） R 4=R 1∥R 2=3.14 K Ω

取3K Ω。

Z Z V 4

RW=8K 0.1~0.2I 0.15

==Ω⨯（）

（） 取10K Ω。

R 6=RW/9=10/9=1.11（K Ω）

取1K Ω。

积分时间常数：

取C=0.1uF ，则：

R5=4.019/0.1=40.19K Ω

取39K Ω。

取R 7=R 5= 39K Ω。

转换速率

Z 1max OSM max 24V R f 44 5.1100

SR 4V f =0.995mS R 8.2

⨯⨯⨯≥=

=（V/）

一般的集成运算放大电路都能满足要求。兼顾波形转换电路集成电路的使用。集成电路

选用四运放LM324。LM324内含四个相同的运算放大器，其中两个用于振荡器，两个用于波形变换。

三、振荡电路工作原理

利用集成运算放大电路也可实现产生方波和三角波的信号发生器，电路主要由比较器和积分器构成。电路中，有源积分器由运算放大器2A 及其外围电路积分电容C 和电阻R 5、R 7组成。有源积分器的输出通过R 1接至比较器1A 的正输入端，积分器的输入电压由电位器分压取出，设R W 与R 6形成的分压系数为a w ，则积分器的输入电压为V i =±a w Vz 。分压系数a w 为：

Z 2Z V 4R 8K 0.1I 0.15≥==Ω⨯（）

251MAX R 8.2

R C= 4.019mS 4R f 4 5.1100

==⨯⨯（）

1a R R R W w

66

≤≤+

即积分器的输入电压V i 的峰值电压通过调节电位器R W ，可从

W

6Z

6R R V R +到V Z 可调。

设某时刻比较器输出V OZ =V Z ，积分器的输入电压为+a w Vz 。通过积分器积分使得V OS 下降，比较器的正端输入电压V i+跟随下降。当V i+电压下降超过0V 时，比较器将翻转V OZ =-V Z ，

V i+突然变为负电压，此时为V OS 的负峰电压-V OSM 。V OSM 的值为：

Z 1

OSM 2

V R V =

R

比较器输出电压V OZ =-V Z 又通过积分器使得V OS 上升，当V i+电压上升超过0V 时，比较器又将翻转为V OZ =V Z ，重复下一次的振荡。此时V OS 为正峰电压+V OSM 。振荡器输出V OZ 为方波，峰值为稳压二极管所限定的电压V Z ，V OS 为三角波的输出电压，V OSM 为三角波的峰值。振荡器的波形如图2。

图2 RC 有源积分器振荡电路的信号波形

在V OZ =-V Z 期间（为振荡半周期T/2），积分器的积分时间常数约为5τ=R C ，输出电压V OS ：

OSM

5Z

W OSM 5Z W OS V t C

R V a V dt C R V a V -=---=⎰

可见，V OS 对时间为线性。当V OZ 由-V Z 变为V Z 时，V OS =V OSM ，则振荡频率f 为：

OSM 5Z W OSM V 2

T

C R V a V -⨯=

代入Z 1

OSM 2

V R V =

R ，并整理得频率为： w 251a R 1

f=

=T 4R R C

可见改变a Ww 可改变频率，RW 为频率调节电位器。改变电容C 也可调节频率，通过开关，以10倍地切换容量可获得10倍的频率档位扩展。

四、f 范围设计补充

电位器主要是完成频率调节功能，它是通过调节积分器的输入电压幅度来调节频率的。它和

R 6

一起决定分压

a w ，根据设计要求的频率调节范围确定。设频率调节范围：

f max /f min =10，则要求a w 变化范围是0.1～1。电位器滑动端到上端时，a w =1，在最下

端时a w =0.1，要求：

6

6R =0.1R +RW

即R 6=RW/9

实际上，为覆盖所要求的频率范围，比值要稍小于0.1才能得到比较好的结果。同时也考虑对稳压二极管的负载效应，电阻取值不能过小，取电位器RW 阻值：

Z

Z

V RW=

0.1~0.2I （）

五、积分电路元件R 5、C 设计补充

R 5和C 的值应根据振荡频率f 来确定，当R 1和R 2的vvv 值确定后，由频率计算公式

w 251a R 1

f=

=T 4R R C

确定。当频率取最大值f max 时，a w =1，有：

R 5C 的

值确定之后，R 5的大小可由以下几个方面考虑：R 5

2

51max

R R C=

4R f