4.1 信号發生器
- 一 設計任務與要求
- 二 方案設計與論證
- 三 單元電路設計與參數計算
- 3.1 總的原理框圖及總方案
- 3.2 各組成部分的工作原理
- 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—三角波之間轉換的電路圖如下：
- 5.2 三角波—正弦波之間轉換電路圖如下：
- 六 性能測試與分析（寫仿真調試與分析）
- 6.1 産生方波的原理圖：
- 6.2 方波與三角波之間的轉換原理圖
- 6.3 三角波與正弦波之間的轉換原理圖：
- 七 結論與心得
- 八 參考文獻
一 設計任務與要求
- ⑴ 設計并制作能産生正弦波、矩形波（方波）和三角波（鋸齒波）的函數發生器，本信号發生器可以考慮用專用內建晶片（如5G8038等）為核心實作。
- ⑵ 信号頻率範圍： 1Hz∽100kHz；
- ⑶ 頻率控制方式：
- ① 手控 通過改變RC參數實作；
- ② 鍵控 通過改變控制電壓實作；
- ③ 為能友善地實作頻率調節，建議将頻率分檔；
- ⑷ 輸出波形要求
- ① 方波 上升沿和下降沿時間不得超過200nS，占空比在48%∽50%之間；
- ② 非線性誤差≤2%；
- ③ 正弦波 諧波失真度≤2%；
- ⑸ 輸出信号幅度範圍：0∽20V；
- ⑹ 信号源輸出阻抗：≤1Ω；
- ⑺ 應具有輸出過載保護功能；
- ⑻ 具有數字顯示輸出信号頻率和電壓幅值功能。
二 方案設計與論證
函數發生器一般是指能自動産生三角波、方波及鋸齒波、正弦波等電壓波形的電路。根據用途不同，有産生三種或多種波形的函數發生器，使用的器件可以是內建電路，也可以采用分立器件。
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。
方案一：
采用內建電路實作，主要部件有高速運算放大器LM318、單片函數發生器子產品5G8038、選擇開關、電位器和一些電容、電阻組成。該方案通過調節不同電位器可調節函數發生器輸出振蕩頻率大小、占空比、正弦波信号的失真，可産生精度較高的方波、三角波、正弦波，且具有較高的溫度穩定性和頻率穩定性。其輸出頻率能在20Hz-5kHz範圍内連續調整，達到調試簡單、性能穩定、使用友善等優點，使信号發生器電路大大簡化。
方案二：
采用分立元件組成，運用運算放大器、電壓比較器、積分運算電路、差分放大電路、選擇開關、電位器和一些電容、電阻組成。第一級單元可以産生方波，第二級可以産生三角波，第三極可以産生正弦波，通過第二級的選擇開關可以實作頻率波段的轉換，通過對差分放大電路部分元器件的調節來改善正弦波産生的波形。
分析以上兩種方案，比較他們的利弊，方案一內建電路比分立元件要簡單很多，精度也較高，溫度穩定性和頻率穩定性比較好，但由于頻率與占空比不能單獨調節，并且實驗條件不允許，是以，采用方案二的分立元件來實作本次設計。
三 單元電路設計與參數計算
3.1 總的原理框圖及總方案
由原理圖可知，先由一個比較器電路産生方波，然後再接上一個積分器，将産生的方波通過積分器，實作三角波的産生，在産生三角波的端口接上一個差分放大器，利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。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。總體來說就是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。
3.2 各組成部分的工作原理
方波——三角波轉換電路的工作原理
1.産生方波的電壓比較電路原理圖如下
2.積分電路的原理圖如下
3.差分放大電路原理圖如下
4.方波和三角波的轉換電路如圖
首先由運算放大器和一些電阻、電容組成電壓比較器和積分器，進而産生方波。即運算發大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C2為加速電容，可加速比較器的翻轉；放大器A2與R4、RP2、C1及R5組成積分器，其輸入信号為方波U01,則經過積分器後産生三角波。
±UT=±(R2/(R3+Rp1)*Ucc
其中，
（1）産生三角波的反向積分器的輸入為方波U01：則由積分公式
U0=-1/(R*C)*ò Ui dt,
得到
U02=-1/((R4+RP2)*C2)* ò U01 dt
;
當
U01=+VCC
時，
U02=-VCC*t/((R4+RP2)*C2)
,
當
U01=-VEE
時，
U02=VCC*t/((R4+RP2)*C2)
,
故可知：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。
5.三角波和正弦波的轉換電路圖如下
上圖的Rp3調節三角波的幅度，Rp4調整電路的對稱性，其并聯電阻R12用來減小差分放大器的線性區。電容C3,C4,C5為隔直電容，C6為濾波電容，以濾除諧波分量，改善輸出波形。
其中，為使輸出波形更接近正弦波，由三角波-正弦波變換原理圖可知：
- （1）傳輸特性曲線越對稱，線性區越窄越好；
- （2）三角波的幅度U02應正好使半導體接近飽和區或截止區。
四總原理圖及元器件清單
4.1 總原理圖
上圖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
| 元件序号 | 型号 | 主要參數 | 數量 | 備注 |
| R1、R2…R13 | 10千歐，100千歐，80千歐，6.8千歐… | 共13個 | ||
| C1、C2…C6 | 1uF, 10Uf, 470uF… | 共六個 | ||
| U1，U2 | 2個 | |||
| Xsc1,xsc2 | 2個 | |||
| Q1，Q2，Q3，Q4 | NPN型号 | 2N2712 | 4個 | |
| RP1，RP2，RP3，RP4 | 1千歐，5.8千歐，47千歐，100千歐 | 共4個 |
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—三角波之間轉換的電路圖如下：
參數選擇：在電容C1、C2處放置了選擇開關，可以滿足課設要求的兩個頻率範圍1～10Hz、10～100kHz：當開關選擇C1=10uF ,取R4=5.1kW, RP2為100Ω電位器時，可以得到1～10Hz頻率段範圍； 當取C2=1μF，以實作頻率波段的轉換，R4及RP2的取值不變。平衡電阻R5=10kW時，可以得到10～100kHz
頻率段範圍。
5.2 三角波—正弦波之間轉換電路圖如下：
經電容C4輸入差摸信号電壓Uid=50v，F=100Hz正弦波。調節電阻RP4及電阻RP3,使傳輸特性曲線對稱，且記錄對應的Uid即Uidm值，調節RP3使三角波輸出幅度經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。
六 性能測試與分析（寫仿真調試與分析）
6.1 産生方波的原理圖：
得到的方波為：
6.2 方波與三角波之間的轉換原理圖
所得到三角波形如下圖：
6.3 三角波與正弦波之間的轉換原理圖：
得到的正弦波形：
七 結論與心得
第七周，是我們電子專業班繼數電課程設計之後又一次比較大的課程設計，這對我們對之前所學習的知識起到了又一次的溫習以及應用。
為了更好地完成這次的課程設計任務，首先我不得不開始溫習之前學過的模電知識，查找相關資料，包括電子技術課程設計指導以及網上百度，偶爾有時候還會請教同學，幫我改善電路或者糾正某一個連接配接方式或者元器件的不正确……
在實驗設計的過程中，讓我進一步體會到了動手能力，以及新穎的思維方式的重要性，讓我從中獲益匪淺。對于這個課程設計，我的設計思路是：根據給出的幾個功能及幾個波形，分别利用電壓比較器設計電路産生方波，設計積分器轉換産生三角波，再設計差分放大電路産生正弦波……等步驟分子產品去把它實作了，然後再進一步根據他們的元器件之間的聯系連接配接起來，進而整體實作函數信号發生器這一課題所要求的功能。
在短短的幾天實訓中，不僅僅讓我們動了手動了腦，更讓我們體會到了理論與實際相結合的重要性，憑空的理論是站不住腳跟的，需要時間來驗證。但是我們又不得不承認理論的重要性，理論是前提我們必須打好基礎。
在這次的課程設計過程當中，我遇到了挺多的問題，首先是很多之前學過的知識都忘記了，特别是很多電路的計算公式也模糊了，是以不得不傳回去大概重刷一下下課本。接着，根據課本上的一些可産生對應的方波，三角波，正弦波的電路圖效仿連接配接上去，但是又要考慮參數問題。特别是，在完全連接配接好之後，調式的時候卻沒有波形出來，幾經修改之後，決定改用multisim軟體進行仿真調試，波形出來了！而且還發現，multisim軟體的一個好處是裡面的滑動變阻器可以滑動而改變阻值，而我之前用proteus軟體的時候，找到的一些滑動變阻器都是固定不能滑動改變阻值的。
通過這次設計，既加深了對知識的了解、對模電電路邏輯設計知識的實踐運用以及進一步熟悉地使用電路仿真軟體，更讓我深刻意識到了自己專業知識的不夯實性，更讓我深刻意識到，在大學裡，僅僅是專業理論知識獲得高分是遠遠不夠的，還要注重自己的動手實踐能力。而通過這一次的課程設計，使我意識到自己知識面的狹隘，以及自己平時動手能力的有限性，這對我以後的學習和工作會起到一個很重要的作用的。
雖然我知道，可能由于我知識面局限的原因，在我的這次課程設計中還存在着挺多的不完善的地，但最重要的是，我思考了，我自己親自動手去弄了。我堅信，這次的課程設計經驗将會讓我更加地明确自己以後的學習目标與學習方向，并為我以後對自己專業知識的學習打下了一個很重要的基礎。
八 參考文獻
[1]《電子技術課程設計指導》彭介華 主編 高等教育出版社出版；
[2]《模拟電子技術及應用》李繼凱 主編 科學出版社出版。
注：
- 占空比: 占空比是高電平所占周期時間與整個周期時間的比值。
- 非線性誤差:将儀器儀表等測量工具的輸入、輸出（測量、結果）分别作為直角坐标系的縱軸、橫軸，選擇适合的坐标軸，并将理想的輸入輸出對應點标入坐标，可以得到一條理想輸入輸出關系曲線。将實際的輸入輸出對應點标入坐标，可以得到一條實際輸入輸出關系曲線。最理想的情況下這兩條曲線應該重合，實際上是不可能做到的，這時兩條曲線之間的距離就是誤差。如果這兩條曲線形狀完全一緻，但不重合，例如一條曲線相當于另一條的平移或直線的斜率不同，這時的誤差就是線性的，否則誤差就是非線性誤差。