4信号发生器设计

信号发生器设计

一、设计任务

设计一信号发生器，能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真。

二、设计要求

基本性能指标：(1)频率范围100Hz~1kHz；(2)输出电压：方波U p-p≤24V，三角波U p-p=6V，正弦波U p-p>1V。

扩展性能指标：频率范围分段设置10Hz~100Hz, 100Hz~1kHz，1kHz~10kHz；波形特性方波t r<30u s（1kHz，最大输出时），三角波r△<2%，正弦波r～<5%。三、设计方案

信号发生器设计方案有多种，图1是先产生方波、三角波，再将三角波转换为正弦波的组成框图。

图1 信号发生器组成框图

主要原理是：由迟滞比较器和积分器构成方波——三角波产生电路，三角波在经过差分放大器变换为正弦波。方波——三角波产生基本电路和差分放大器电路分别如图2和图4所示。

图2所示，是由滞回比较器和积分器首尾相接形成的正反馈闭环系统，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。其工作原理如图3所示。

图2 方波和三角波产生电路

图3 比较器传输特性和波形

利用差分放大器的特点和传输特性，可以将频率较低的三角波变换为正弦波。其基本工作原理如图5所示。为了使输出波形更接近正弦波，设计时需注意：

应接近差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好；三角波的幅值V

m

晶体管的截止电压值。

图4 三角波→正弦波变换电路

图5 三角波→正弦波变换关系

在图4中，RP 1调节三角波的幅度，RP 2调整电路的对称性，并联电阻R E2用来减小差分放大器的线性区。C 1、C 2、C 3为隔直电容，C 4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

波形发生器的性能指标：

①输出波形种类：基本波形为正弦波、方波和三角波。

②频率范围：输出信号的频率范围一般分为若干波段，根据需要，可设置n 个波段范围。

③输出电压：一般指输出波形的峰-峰值U p-p 。

④波形特性：表征正弦波和三角波特性的参数是非线性失真系数r ～和r △；表征方波特性的参数是上升时间t r 。

四、电路仿真与分析

本次设计采用先产生方波然后变换为三角波，再将三角波转换为正弦波的方案。

1、 方波产生电路

运放U1与R1、R2、R3、R5组成电压迟滞比较器；运放的反相端接基准电压，及V-=0，同相端接输入电压Vin ；比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+VCC ，低电平等于负电源电压-VEE ，当比较器+VCC=V-时，比较器翻转。因而产生方波。 比较器的门限宽度为2

36

2

H R V VCC R R =+。

2、 三角波发生器电路

运放U2组成反相积分器。当积分器的输入为方波时，输出的是一个上升速率与下降速率相等的三角波。三角波的幅度为

2

236

om R V VCC R R =

+

当方波产生电路的输入端与三角波产生电路得输出端连接在一起形成正反馈闭环系统，则自动产生方波-三角波。这样既可构成三角波、方波发生器。

方波——三角波的频率为

36

2472

4()R R f R R R C +=

+

3、正弦波发生器

利用差分放大器的特点和传输特性，可以将频率较低的三角波变换为正弦波。为了使输出波形更接近正弦波，设计时需注意：差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好；三角波的幅值V m 应接近晶体管的截止电压值。

总的电路图为：

输出波形为：

频率范围为：

实现以上基本功能时，电容C1=850nf，滑动变阻器R6从0%到100%，信号频率输出范围是100-1000hz.

在实现拓展功能时，只需要改变C1位置上电容值得大小，即可改变输出信号频率的范围。当信号范围为10-100hz时，电容值为9uf。当信号范围为

1k-10khz，电容值为85nf。

电位器R6在调整方波-三角波的输出频率时，一般不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率范围宽度，可用C2改变频率的范围，R7实现频率微调。此次信号发生器设计基本满足设计要求。

五、实验总结：

通过本次仿真实验，我掌握了方波、三角波和正弦波的产生原理和方法。首先方波是最基础的信号波形，利用集成运放和电阻组合形成迟滞比较器来发生，这部分内容与上学期的低频电子线路理论内容结合了起来，在P351，我也重新翻书进行了系统的回顾。三角波，是方波通过一个积分电路发生的，低频课本P336，积分电路常用来实现波形变换。正弦波，我觉得是一个难点，因为它只能通过电路近似得到，通过调试使波形接近正弦波；这部分是利用差分放大器差模传输特性曲线来发生，为使波形接近，要利用电容整形，电容滤波使波形平滑；同时还要使波形对称，这需要调节R8来实现。

设计电路时，各个电阻的阻值选择向来很让人头疼，以前我总是摸不到头脑。但是，这次，我发现要结合任务要求，即对信号峰值的要求、频率的范围要求，然后结合各电阻的线性关系，进行计算来得到。

同时，本次实验还给我增长了经验。在进行仿真实验时，切忌连完整个电路发现波形不好看才开始调试，一定要连好一部分就调试一部分，让这部分输出波形达到要求之后再进行下一部分的连接，这样每一部分都达标，那么整体也就达标了。还有，如果没有办法利用电路得到一个理想的波形，如正弦波，可以先得到一个近似的信号，然后通过整形，使其接近理想。