簡易信号發生器設計
- 一、設計任務與要求
- 1）設計目的
- 2）設計要求
- 基本要求：
- 3）技術名額
- 4）設計提示
- 5）設計報告要求
- 二、方案設計與論證
- 三、單元電路設計與參數計算
- 3.1方波發生電路的工作原理
- 3.2方波---三角波轉換電路的工作原理
- 3.3 三角波 --- 正弦波轉換電路的工作原理
- 3.4 電路的參數選擇及計算
- 3.5 三角波 - 正弦波部分
- 四 總原理圖及元器件清單
- 4.1 總原理圖
- 4.2 元件清單
- 五 安裝與調試（沒有進行安裝調試的這部分寫電路中參數的選擇與計算）
- 5.1 方波--- 三角波發生電路的安裝與調試
- 5.1.1 按裝方波——三角波産生電路
- 5.1.2 調試方波——三角波産生電路
- 5.2 三角波 --- 正弦波轉換電路的安裝與調試
- 5.2.1 按裝三角波——正弦波變換電路
- 5.2.2 調試三角波——正弦波變換電路
- 5.3 總電路的安裝與調試
- 5.4 調試中遇到的問題及解決的方法
- 5.5 靜态調試
- 5.6 動态調試
- 5.6.1 方波—三角波發生器的調試
- 5.6.2 三角波—正弦波發生器的調試
- 六 性能測試與分析（寫仿真調試與分析）
- 七 結論與心得
- 八 參考文獻
一、設計任務與要求
1）設計目的
- 1、了解分立元件構成的信号發生器的原理
- 2、掌握信号發生器的設計方法和仿真測試。
2）設計要求
基本要求：
- A、電路能輸出正弦波、方波和三角波、鋸齒波四種波形；
- B、輸出信号的頻率要求可調；
- C、拟定測試方案和設計步驟；
- D、根據性能名額，計算元件參數，選好元件，設計電路并畫出電路圖；
- E、用Multisim進行仿真測試，測量輸出信号的幅度和頻率；
- F、寫出設計報告。
3）技術名額
頻率範圍：100Hz-1KHz，1Kz-10KHz；輸出電壓：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=6V， 鋸齒波VP-P=6V，正弦波VP-P=2V；方波tr小于1uS。
4）設計提示
方案提示：設計方案可先産生方波-三角波，再将三角波變成正弦波和鋸齒波。如 下框圖所示。
設計用主要器件**：雙運放uA747（或7412）若幹、差分管3DG100**若幹；電阻電容若幹。
5）設計報告要求
- 1、采用分立元件進行設計和仿真測試；
- 2、拟出設計步驟，畫出設計電路，分析并計算主要元件參數值；
- 3、畫出仿真電路，給出仿真波形和仿真資料；
- 4、列出測試資料表格；
- 5、進行分析和總結，設計報告要求條理清楚、文字流暢、圖文并茂、語言通順、格式規範，字數不少于8000字。
二、方案設計與論證
圖 1 方波、三角波、正弦波、鋸齒波信号發生器的原理框圖
函數發生器一般是指能自動産生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據用途不同，有産生三種或多種波形的函數發生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用內建電路。為進一步掌握電路的基本理論及試驗調試技術，本課題采用由內建運算放大器與半導體差分放大器共同組成的方波-----三角波-----正弦波（鋸齒波）函數發生器的設計方法。
使用的器件可以是分立器件(如低頻信号函數發生器S101 全部采用半導體 )，也可以采用內建電路 (如雙運放uA747（或7412）)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術， 本課題采用由內建運算放大器與半導體差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數發生器的設計方法。
産生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先産生正弦波，然後通過 整形電路将正弦波變換成方波，再由積分電路将方波變成三角波；也可 以首先産生三角波—方波，再将三角波變成正弦波或将方波變成正弦波等 等。本課題采用先産生方波—三角波，再将三角波變換成正弦波的電路設 計方法。
本課題中函數發生器電路組成框圖如下所示：
由比較器和積分器組成方波—三角波産生電路，比較器輸出的方波經積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩定，輸入阻抗高 抗幹擾能力較強等優點。 特别是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，是以可将頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。
使用的器件可以是分立器件，也可以采用內建電路。為進一步掌握電路的基本理論及試驗調試技術，本課題采用由內建運算放大器與半導體差分放大器共同組成的方波-----三角波-----正弦波-----鋸齒波函數發生器的設計方法。
三、單元電路設計與參數計算
3.1方波發生電路的工作原理
此電路由反相輸入的滞回比較器和 RC 電路組成。 RC 回路既作為延遲環節，又作為回報網絡，通過 RC 充、放電實作輸出狀态的自動轉換。設某一時刻輸出電壓 Uo=+Uz, 則同相輸入端電位 Up=+UT 。Uo 通過 R3 對電容 C 正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位 n 随時間 t 的增長而逐漸增高，當 t 趨于無窮時， Un 趨于 +Uz ；但是，一旦 Un=+Ut, 再稍增大， Uo 從+Uz 躍變為 -Uz, 與此同時 Up 從+Ut 躍變為 -Ut 。随後， Uo 又通過 R3 對電容 C 反向充電，如圖中虛線箭頭所示。 Un 随時間逐漸增長而減低，當 t 趨于無窮大時， Un 趨于-Uz ；但是，一旦 Un=-Ut, 再減小， Uo 就從 -Uz 躍變為 +Uz ， Up 從-Ut 躍變為 +Ut ，電容又開始正相充電。上述過程周而複始，電路産生了自激振蕩。
3.2方波—三角波轉換電路的工作原理
方波—三角波産生電路
壓傳輸特性
若 a 點斷開，運算發大器 A1 與 R1、R2 及 R3、RP1 組成電壓比較器，C1 為加速電容，可加速比較器的翻轉。運放的反相端接基準電壓，即U-=0 ，同相輸入端接輸入電壓Uia ，R1 稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1 的高電平等于正電源電壓 +Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（ |+Vcc|=|-Vee|）,當比較器的U+=U-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1 從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平 Vee 跳到高電平Vcc 。設 Uo1=+Vcc, 則
将上式整理，得比較器翻轉的下門限電位
若 Uo1=-VEE, 則比較器翻轉的上門限電位為：
比較器的門限寬度
由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖所示：
a 點斷開後，運放 A2與 R4、RP2、C2 及 R5 組成反相積分器，其輸入信号為方波Uo1 ，則積分器的輸出
當U01=+Vcc時
當U01=-Vcc時
可見積分器的輸入為方波時， 輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示。
a 點閉合，既比較器與積分器首尾相連， 形成閉環電路， 則自動産生方波-三角波。 三角波的幅度為
方波 -三角波的頻率f 為
由以上兩式可以得到以下結論：
1.電位器 RP2 在調整方波 -三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的範圍較寬，可用 C2 改變頻率的範圍， PR2 實作頻率微調。
2.方波的輸出幅度應等于電源電壓 +Vcc 。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓 +Vcc 。電位器 RP1 可實作幅度微調，但會影響方波-三角波的頻率。
3.3 三角波 — 正弦波轉換電路的工作原理
三角波——正弦波
差分放大器具有工作點穩定， 輸入阻抗高， 抗幹擾能力較強等優點。特别是作為直流放大器， 可以有效的抑制零點漂移， 是以可将頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達式為：
Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)]
如果 Uid 為三角波，設表達式為
式中：
Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期。
為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見：
（1） 傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；
（2） 三角波的幅度 Um 應正好使半導體接近飽和區或截止區。
（3） 圖為實作三角波——正弦波變換的電路。其中 Rp1 調節三角波的幅度， Rp2 調整電路的對稱性，其并聯電阻 RE2 用來減小差分放大器的線性區。 電容 C1,C2,C3 為隔直電容， C4 為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸 出波形。
三角波—正弦波變換電路
3.4 電路的參數選擇及計算
1.方波- 三角波中電容 C1變化（關鍵性變化之一）
實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，後來将 C2從 10uf （理論時可出來波形）換成 0.1uf 時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當 C2=10uf 時，頻率很低，不容易在實際電路中實作。
運放
A1
與
A2
用
741
，因為方波的幅度接近電源電壓
+VCC=+12V,-VEE=-12V
.
比較器A1與積分器A2的元件參數計算如下。
由式得：
由式（3-2-9）得：
3.5 三角波 - 正弦波部分
差分放大器元件參數确定
取
RC1=RC2=10 KΩ,RB1=RB2=6.8 KΩ,取I0=1.1mA
, 而
I0=(RE4/RE3)IREF
IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R
取
RE4=R=20 KΩ,代入(3-4-2)
，得
IREF=0.28 mA
，将
IREF=0.28 mA
代入，得
RE3=5 KΩ
四 總原理圖及元器件清單
4.1 總原理圖
三角波 -方波-正弦波函數發生器實驗電路
先通過比較器産生方波， 再通過積分器産生三角波， 最後通過差分放
大器形成正弦波。
4.2 元件清單
| 數量 | 描述 | RefDes | 封裝 | 類型 |
| 1 | POWER_SOURCES, VCC | VCC | Generic | |
| 1 | POWER_SOURCES, VEE | VEE | Generic | |
| 8 | RESISTOR, 10kΩ | R1, R5, R11, R13, R17, R18, RC1, RC2 | ||
| 2 | RESISTOR, 20kΩ | R2, R9 | ||
| 1 | POWER_SOURCES, GROUND | Generic | ||
| 2 | POTENTIOMETER, 47kΩ | R4, R7 | ||
| 1 | CAPACITOR, 0.2µF | C1 | ||
| 1 | RESISTOR, 7.7kΩ | R6 | ||
| 2 | CAP_ELECTROLIT, 470µF | C4, C5 | ||
| 2 | RESISTOR, 6.8kΩ | R8, RB1 | ||
| 1 | CAPACITOR, 0.1µF | C6 | ||
| 1 | RESISTOR, 5.5kΩ | RE4 | ||
| 5 | RESISTOR, 5kΩ | R12, R14, R15, R16, RE3 | ||
| 2 | CAPACITOR, 47µF | C2, C7 | ||
| 1 | POTENTIOMETER, 400kΩ | R10 | ||
| 1 | CAPACITOR, 5nF | C3 | ||
| 1 | POTENTIOMETER, 80kΩ | R3 | ||
| 2 | POTENTIOMETER, 100kΩ | R20, R21 | ||
| 1 | RESISTOR, 600Ω | R22 | ||
| 1 | CAPACITOR, 1µF | C8 | ||
| 元件序号 | 型号 | 主要參數 | 數量 | 備注 |
| R1 | ||||
| T1 | ||||
五 安裝與調試（沒有進行安裝調試的這部分寫電路中參數的選擇與計算）
5.1 方波— 三角波發生電路的安裝與調試
5.1.1 按裝方波——三角波産生電路
- 1 把兩塊 741 內建塊插入面包闆，注意布局；
- 2 分别把各電阻放入适當位置，尤其注意電位器的接法；
- 3 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。
5.1.2 調試方波——三角波産生電路
- 1.接入電源後，用示波器進行雙蹤觀察；
- 2.調節 RP1，使三角波的幅值滿足名額要求；
- 3.調節 RP2，微調波形的頻率；
- 4.觀察示波器，各名額達到要求後進行下一部按裝。
5.2 三角波 — 正弦波轉換電路的安裝與調試
5.2.1 按裝三角波——正弦波變換電路
- 1.在面包闆上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；
- 2.搭生成直流源電路，注意 R* 的阻值選取；
- 3.接入各電容及電位器，注意 C6 的選取；
- 4.按圖接線，注意直流源的正負及接地端。
5.2.2 調試三角波——正弦波變換電路
1.接入直流源後，把 C4 接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜 态工作點；
2.測試 V1 、V2 的電容值，當不相等時調節 RP4 使其相等；
3.測試 V3 、 V4 的電容值，使其滿足實驗要求；
4.在 C4 端接入信号源， 利用示波器觀察， 逐漸增大輸入電壓， 當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；
5.3 總電路的安裝與調試
1.把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察
2.針對各階段出現的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即使正弦 波的峰峰值大于 1V 。
5.4 調試中遇到的問題及解決的方法
方波 -三角波 -正弦波函數發生器電路是由三級單元電路組成的 ,在裝 調多級電路時通常按照單元電路的先後順序分級裝調與級聯。
1.方波 -三角波發生器的裝調
由于比較器 A 1 與積分器 A 2 組成正回報閉環電路， 同時輸出方波 與三角波， 這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器 RP1 與 RP2 之前，要先将其調整到設計值，如設計舉例題中，應先使 RP1=10K Ω ,RP2 取（ 2.5-70 ）KΩ 内的任一值 , 否則電路可能會不起 振。隻要電路接線正确，上電後， UO1 的輸出為方波， UO2 的輸出為 三角波，微調 RP1, 使三角波的輸出幅度滿足設計名額要求有，調節 RP2，則輸出頻率在對應波段内連續可變。
2.三角波 — 正弦波變換電路的裝調
按照圖 3— 75 所示電路，裝調三角波 — 正弦波變換電路，其中差分發 大電路可利用課題三設計完成的電路。電路的 調試步驟如下。
- （1）經電容 C4 輸入差摸信号電壓 Uid=50v ，Fi =100Hz 正弦波。 調節 Rp4 及電阻 R*, 是傳輸特性曲線對稱。在逐漸增大 Uid 。直 到傳輸特性曲線形狀入圖 3— 73 所示，記 下次時對應的 Uid 即 Uidm 值。移去信号源，再将 C4 左段接地，測量差份放大器的 靜态工作點 I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.
- （2）Rp3 與 C4 連接配接， 調節 Rp3 使三角波俄 輸出幅度經 Rp3 等于 Uidm 值，這時 Uo3 的輸出波形應 接近 正弦波， 調節 C6 大小可 改善輸出波形。
- (3)性能名額測量與誤差分析
1.放波輸出電壓是因為運放輸出極有 PNP 型兩種晶體組成複合互補對 稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導通，由于導通時輸出電阻的 影響，使方波輸出度小于電源電壓值。
2.方波的上升時間 T，主要受預算放大器的限制。如果輸出頻率的限制。 可接俄加速電容 C1，一般取 C1 為幾十皮法。用示波器或脈沖示波 器測量 T.
5.5 靜态調試
整個電路連接配接完之後，就可以對該電路進行調試和檢測了，以發現和糾正 設計方案的不足之處。在進行調試和測試之前，首先要對電路進行檢查。 對照原理圖按順序一一檢查，以免産生遺漏。以元件作為中心進行檢查， 把每個元器件的引腳依次檢查，看是否有接錯線或者漏接等問題，為了防 止出現錯誤，最好對已經檢查好的線路在原理圖上做好标記，倘若線路檢 查無誤，則可以對線路進行調試和測試了。
用萬用表适當的檔位對線路進行測試，看線路是否有短路或者斷路等問題，如果出現錯誤，就立即進行改進，修改再進行調試。
5.6 動态調試
5.6.1 方波—三角波發生器的調試
由于比較器A1與積分器A2組成正回報閉環電路，同時輸出方波和正弦波，是以這兩個單元電路可以同時安裝。但是需要注意的是，在安裝電位器RP1與RP2之前，要先将其調整到設計值，否則會導緻電路不起振。如果電路接線正确。則在接通電源後，A1輸出為方波，A2輸出為三角波，微調RP1，使三角波的輸出幅度滿足設計名額要求，調節RP2，則輸出頻率連續可變。
5.6.2 三角波—正弦波發生器的調試
六 性能測試與分析（寫仿真調試與分析）
調試中的注意事項：
為了保證效果，必須減小測量誤差，提高測量精度。為此，需注意以下幾點：
- (1) 正确使用測量儀器的接地端
- (2) 測量電壓所用儀器的輸入端阻抗必須遠大于被測處的等效阻抗。因為，若測量儀器輸入阻抗小，則在測量時會引起分流給測量結果帶來很大的誤差。
- (3 )儀器的帶寬必須大于被測電路的帶寬。
- (4) 用同一台測量儀進行測量進，測量點不同，儀器内阻引起的誤差大小将不同。
- (5) 調試過程中，不但要認真觀察和測量，還要記錄。記錄的内容包括實驗條件，觀察的現象，測量的資料，波形和相位關系等。隻有有了大量的可靠實驗記錄并與理論結果加以比較，才能發現電路設計上的問題，完善設計方案。
- (6) 調試時出現故障，要認真查找故障原因，切不可一遇故障解決不了的問
題就拆掉線路重新安裝。因為重新安裝的線路仍可能存在各種問題。我們應該認真檢查。調試結果是否正确，在很大程度上受測量正确與否和測量精度的影響。
七 結論與心得
為期幾天的課程設計已經結束，在這幾天的學習、設計、及電路搭建過程中我感觸頗深。使我 對抽象的理論有了具體的認識。通過對函數信号發生器的設計，我掌握了常用元件的識别和測試； 熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接配接、搭建方法；以及如何提高電路的性能等等。 通過對函數信号發生器的設計，我還深刻認識到了“理論聯系實際”的這句話的重 要性與真實性。而且通過對此課程的設計，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且 也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實踐中了解了書本上的知識，明白了學以緻用 的真谛。也明白老師為什麼要求我們做好這個課程設計的原因。他是為了教會我們如何
運用所學的知識去解決實際的問題，提高我們的動手能力。在整個設計到電路的焊接以 及調試過程中，我個人感覺調試部分是最難的，因為你理論計算的值在實際當中并不一定是最佳參數，我們必須通過觀察效果來改變參數的數值以期達到最好。而參數的調試 是一個經驗的積累過程，沒有經驗是不可能在短時間内将其完成的，而這個可能也是老 師要求我們加以提高的一個重要方面吧！
其次，這次課程設計提高了我的團隊合作水準，使我們配合更加默契，體會了在接 好電路後測試出波形的那種喜悅，體會到成功來自于汗水，體會到成果的來之不易。 在實驗過程中，我們遇到了不少的問題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問題。在同學的幫助下，把問題一一解決，那種心情别提有多高興啦。實驗中暴露 出我們在理論學習中所存在的問題，有些理論知識還處于懵懂狀态，老師們不厭其煩地為我們調整波形，講解知識點，實在令我感動。 還有值得我們自豪的就是我們的線路連得橫豎分明，簡直就是藝術，當然，我們也 有很多不足的地方， 最後用一句話來結束吧： “實踐是檢驗真理的唯一标準” 。
八 參考文獻
- [1] 陳利永 . 電子技術基礎 [M] 北京 . 北京郵電大學出版社
- [2]《電子線路設計·實驗·測試》 第三版，謝自美 主編，華中科技大學出版社
- [3]《新型內建電路的應用——電子技術基礎課程設計》梁宗善 主編，華中科技大學出版社
- [4]《電子技術基礎課程設計》，孫梅生等編著，高等教育出版社