简单信号发生器设计.docx

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1、简单信号发生器设计 摘要 函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法，先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。 关键词：函数信号发生器，方波，三角波，正弦波 目录 1.函数发生器的总方案及原理框图 (2) 1.1 电路设计原

2、理框图 (2) 1.2 电路设计方案设计 (2) 2.单元电路设计 (3) 2.1 方波发生电路的工作原理 (3) 2.2 方波-三角波转换电路的工作原理 (3) 2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理 (6) 2.4电路的参数选择及计算 (8) 2.5 总电路图 (9) 3.电路调试与仿真 (10) 3.1 电路的调试 (10) 3.2 方波-三角波发生电路的仿真 (11) 3.3 三角波-正弦波转换电路的仿真 (12) 4.课程设计总结 (13) 附录：元器件明细清单 (14) 参考文献 第一章函数发生器的总方案及原理框图1.1 电路设计原理框图 图1-1 1.2 电路方案设计 （1）采

3、用滞回比较器产生方波； （2）采用积分器将方波转换成三角波； （3）采用差分放大器将三角波转换成正弦波。 第二章单元电路设计 2.1、方波发生电路的工作原理： 此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电

4、，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。 图2-1 方波产生电路 2.2 方波-三角波转换电路的工作原理： 图2-2-1 图2-2-1所示的电路能自动产生方波三角波。电路工作原理若下：若a 点断开，运放A1与R1、R2及R3、RP3组织成比较器，R1成为平衡电阻，运放的反相端接基准电压，及U_=0，同相端接输入电压Uia；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（|+Vcc|

5、=|VEE |）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出U01从高电平+Vcc 跳到低电平VEE，或从低电平VEE跳到高电平+Vcc。设U01=+Vcc，则错误!未找到引用源。（2-2-1） 式子中，RP1指的是电位器（以下同）。 将上式整理，得比较器翻转的下门限电位 错误!未找到引用源。（2-2-2） 若Uo1=VEE，则比较器翻转的上门线电位 错误!未找到引用源。（2-2-3） 比较器的门限宽度 错误!未找到引用源。(2-2-4) 由式子（2-2-1）(2-2-4)可以得到比较器的电压传输特性，如图所示。 图2-2-2 a点断开后，运放A2与R4、RP3、C2、及R5组成反相积分器，

6、其输入信号为方波U01，则积分器的输出 错误!未找到引用源。(2-2-5) 当U01=+Vcc时，错误!未找到引用源。(2-2-6) 当U01=-Vcc时，错误!未找到引用源。(2-2-7) 可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图所示。 图2-2-3 当a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为 错误!未找到引用源。（2-2-8）方波三角波的频率 错误!未找到引用源。（2-2-9） 由式子（2-2-8）及（2-2-9）可以得出以下结论： 1.电位器RP2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

7、要求输出频率的范围比较宽，则可用C2改变频率的范围，RP2实现频率微调。 2方波的输出幅度约等于电源电压+Vcc 。三角波的输出幅度不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可以实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。2.3 三角波-正弦波转换电路的工作原理三角波正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。 差分放大器具有工作点稳定，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，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为： 错误!未找到引用源。(2-3-1) 错误!未找到引用源。(2-3-

8、2) 式中错误!未找到引用源。 错误!未找到引用源。差分放大器的恒定电流； 错误!未找到引用源。温度的电压当量，当室温为25oc时，UT26mV。 如果Uid为三角波，设表达式为 错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。 式中Um三角波的幅度； T三角波的周期。 错误!未找到引用源。 图2-3-1 三角波正弦波变换电路 错误!未找到引用源。2-3-2三角波-正弦波转换传输特性曲线为使输出波形更接近正弦波，由图2-3-2可见： （1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好； （2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。 （3）图为实现三角波正弦波变换的电路。其中Rp3调节三角波的幅度，R

9、p4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。 电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分波形量，改 善输出 2.4电路的参数选择与计算 2.4.1方波-三角波部分 运放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+V CC=+12V,-V EE=-12V. 比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。 由式（2-8）得 错误!未找到引用源。 取错误!未找到引用源。，则R3+RP1=40K，取错误!未找到引用源。，RP1为47K 的电位器。平衡电阻R1=R2(R3+RP1)=8k错误!未找到引用源。，取R1=8.2K 由式（2-2-9）得错误!未找到引用源

10、。 即R4+RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2) 当100Hzf1kHz时，取C2=0.1uF, 则10K正弦波部分 （1）差分放大器元件参数确定 取R C1=R C2=10 K,R B1=R B2=6.8 K,取I0=1.1mA, 而 I0=(R E4/R E3)I REF (2-4-1) I REF=V EE-U BE/(R E4+R)=12-0.7/R E4+R (2-4-2) 取R E4=R=20 K,代入(2-4-2)，得I REF=0.28 mA，将I REF=0.28 mA代入(2-4-1)，得R E3=5 K （2）三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率不是很大，取C3=47uF，C4=C5=470uF，滤波电容错误!未找到引用源。视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，错误!未找到引用源。可取得较小，错误!未找到引用源。一般为几十皮法至 0.1微法。这里取C6=0.1Uf, RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大 器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电 阻R确定. 2.5总电路图： 错误!未找到引用源。 图2-5方波-三角波-正弦波发生器实验电路 （主要思路）：先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成正弦波。