北邮电子电路实验-函数信号发生器-实验报告

北京邮电大学
电子电路综合设计实验
实验报告
实验题目：函数信号发生器
院系：信息与通信工程学院
班级：
姓名：
学号：
班内序号：
一、课题名称：
函数信号发生器的设计
二、摘要：
方波-三角波产生电路主要有运放组成，其中由施密特触发器多谐振荡器产生方波，积分电路将方波转化为三角波，差分电路实现三角波-正弦波的变换。

该电路振荡频率由第一个电位器调节，输出方波幅度的大小由稳压管的稳压值决定；正弦波幅度和电路的对称性分别由后两个电位器调节。

关键词：方波三角波正弦波频率可调幅度
三、设计任务要求：
1．基本要求：
设计制作一个方波-三角波-正弦波信号发生器，供电电源为±12V。

1）输出频率能在1-10KHZ范围内连续可调；
2）方波输出电压Uopp=12V(误差<20%)，上升、下降沿小于10us；
3）三角波输出信号电压Uopp=8V(误差<20%)；
4）正弦波信号输出电压Uopp≥1V，无明显失真。

2．提高要求：
1）正弦波、三角波和方波的输出信号的峰峰值Uopp均在1~10V范围内连续可调；
2）将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可调范围30%--70%
四、设计思路
1. 结构框图
实验设计函数发生器实现方波、三角波和正弦波的输出，其可采用电路图有多种。

此次实验采用迟滞比较器生成方波，RC积分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。

除保证良好波形输出外，还须实现频率、幅度、占空比的调节，即须在基本电路基础上进行改良。

由比较器与积分器组成的方波三角波发生器，比较器输出的方波信号经积分器生成三角波，再经由差分放大器生成正弦波信号。

其中方波三角波生成电路为基本电路，添加电位器调节使其频率幅度改变；正弦波生成电路采用差分放大器，由于差分放大电路具有工作点稳定、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。

2．系统的组成框图
五、分块电路与总体电路的设计
1．方波—三角波产生电路
如图所示为方波—三角波产生电路，由于采用了运算放大器组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。

该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管VDW 1、VDW 2 的稳压值UZ 和导通压降UD 决定，即限制在±（UZ +UD ）之间。

方波经积分得到三角波，幅度为Uo 2m =±R 1/R 2*（U Z +U D ）可见，改变R 1和R 2比值可调节的三角波幅度的大小
方波和三角波的振荡频率相同，为f =1/T =αR 2/(4R 1R 6C )，式中α为电位Rw 的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。

可见调节Rw 可改变振荡频率。

电路元器件的确定：
电源电路
方波-三角波发生电路 正弦波发生电路
方波输出
三角波输出
正弦波输出
(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SR合适的运放。

通过两个运放的电压转换速率SR的比较，在产生方波的时候选用转换速率快的LM318 ，产生三角波的时候选用uA741 。

(2) 根据所需输出方波幅度的要求（Uopp=12V），选择型号为2DW232 的稳压管,选择限流电阻R2=2KΩ。

(3) 根据输出三角波的幅度要求（Uopp=8V），由公式R5= Uo2m（UZ+UD）R f确定得R5：R f=2:3 ，选择R5=20KΩ ,R f=30KΩ。

R1为平衡电阻，根据计算应选择R1 =12KΩ的电阻。

(4) 根据所要求的振荡频率的要求，由公式R7C=αR f/(4fR5)确定的值为R7=5.6KΩ，C=0.01μF。

(5) 根据运放两端电阻平衡的要求（即R4 为直流平衡电阻，其作用是减小或消除静态时可能在运放输出端产生的附加差模输入电压），R8=2KΩ。

(6) 为使α的变化范围较大，信号的频率范围达到要求（1−10KHz范围内可调），电位器Rw选择为10KΩ范围内可调。

其原理如下图，由波形得：
仿真结果：
2．三角波—正弦波转换电路
差动放大器设计：差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛的应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。

图中R17调节三角波的幅度，R16调整电路的对称性，并联电阻R13用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。

电容C2、C3、C4为隔直流电容，C5为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出正弦波的波形。

(1)确定静态工作点电流Ic1、Ic2、Ic3
静态时,差动放大器不加输入信号,对于电流镜R14= R9= RE IR=I C4+I B3+I B4=I C4+2I B4=I C4+2I C4/β≈I C4=I C3而I R=I C4=I C3=(U CC+U EE−U BE)/(R9+R15) 上式表明恒定电流IC3 主要由电源电压UCC、UEE和电阻R9、R15决定，与晶体管的参数无关。

由于差动放大器得静态工作点主要由恒流源决定，故一般先设定IC3。

IC3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的输入阻抗越高。

但IC3取值也不能太小，一般为几个毫安。

因此在实验中，取IC3=1mA。

IC3确定后，有IC1=IC2=12IC3=0.5mA rbe=rbb′+26(1+β)IE1=rbb′+26(1+β)*2/I C3。

(2) 恒流源电路中电阻R9、R14、R15的确定
由R9+R15=(UCC+UEE−U BE)/I R其中UCC=12V=UEE,U BE的典型值为0.7V（在本次取值中可以忽略）,IR=1mA,故取R15=20KΩ，R9=2KΩ。

由于镜像电流源要求电阻对称，故取R9=R14=2KΩ。

(3)差模特性
差分放大器传输特性曲线特性越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区
仿真结果：
3.总体电路
六、所实现的功能
1、已实现功能
实现了输出方波、三角波、正弦波。

2、主要测试数据：
输出的方波：Uopp=12V，上升、下降沿小于10μs，频率可以通过电位器调整，在1−10KHz 内稳定输出；输出三角波：三角波Uopp=8V；输出正弦波：正弦波Uopp=1.5V；三种输出波形的输出频率均在1−10KHz范围内连续可调，无明显失真。

对于差动放大器，该电路需进行静态调整。

第一：通过调节RP调节电路的对称性。

理想的差动放大器静态时应是输入为零时输出也为零，即当T1与T2的两个基极电位差为零时，T1与T2的两个集电极的电位差也应为零。

但是由于电路的参数不可能完全对称，因此会出现两个基极电位差为零时两个集电极的电位差不为零的情况，所以需通过条令电位器RP进行静态调零，使电路输入为零时输出也为零。

具体调节方法可采取用万用表或示波器进行调零监测。

第二：通过调节恒流源改变电路的静态工作电流。

差动电路中T1与T2的静态工作电流由恒流源偏置电路决定，可以改变恒流源偏置电路中的电阻来改变各个晶体管的静态工作电流。

此些完成后便需对电路中各个晶体管进行调试，测得各个晶体管的静态工作点。

检查无误后接通电源，主意正负极的接法，用双踪示波器观察方波和三角波的输出，通过调节RP，调整波的频率；待各项指标达到标准后，用示波器观察三家波和正弦波的输出。

调整电位器R16、R17得到峰峰值大于1V的且不失真的正弦波。

七、故障及问题分析
1. 在方波—三角波产生电路调试中，频率总是达不到1K和10KHZ，最后经过多次尝试，发现需将C1电容减小，才能达到要求。

2. 在进行三角波的仿真的时候，总是出现仿真错误，后来发现是前面所用稳压二极管的型号不符。

需注意我们发的实验材料软件里没有，要找差不多的替代，但是会有一些参数的不同，这时的仿真和真实情况就不同了。

一定要动手操作，不能只依靠仿真。

3. 在最后滤波电容的选择上出现了很大不同，会导致正弦波波形的不同。

八、总结及结论
通过本次实验，我对于模电中的很多知识点有了更好的掌握，学习了如何设计电路，如何搭建电路，并且进一步熟悉了面包板以及示波器等实验器材的使用。

其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，尤其是在搭建电路过程中遇到问题一起解决一起想办法，更体会到在接好电路后测试出波形的那种喜悦。

从电路的设计到调试的过程中遇到了很多问题，也清楚的知道从理论到实际过程有多艰难。

理论知识是基础，如果不打好基础，根本没办法进行设计。

而电路的仿真和真实的电路情况还是有一定差别的，这就要求我们一定要自己动手，有的元件还要一个一个的试，才知道哪个是最合适的。

在插电路的时候要仔细认真，否则一个不小心插错，整个电路都没有办法工作。

九、实验截图
十、所用元器件
1.电容电阻
2.LM328
3.UA741
十一、参考文献：
（1）刘宝玲主编. 电子电路基础. 北京：高等教育出版社，2008.
（2）电子测量与电子电路实验教程. 北京邮电大学电路实验中心，2011.
（3）电子电路综合设计实验教程. 北京邮电大学电路中心，2012.6。