模电课程设计-简易信号发生器6

课题名称：简易信号发生器设计

系    别：

专    业：

学生班级：

学生姓名：

学生学号：

2012.06

一  设计的目的及任务

1.1 设计目的

1.11掌握电子系统的一般设计方法

1.12掌握模拟IC器件的应用

1.13培养综合应用所学知识来指导实践的能力

1.14掌握常用元器件的识别和测试

1.15 熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法

1.2设计任务

  设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器       

1.3课程设计的要求及技术指标

1.31设计、组装、调试函数发生器

1.32输出波形：正弦波、方波、三角波；

1.33频率范围 ：在100Hz－1KHz，1 KHz-10 KHz范围内可调 ；

1.34输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝6V，正弦波UＰ－Ｐ=1V；方波tr小于1uS。

二    信号发生器的总方案及原理框图   

2.1 原理框图

图2-1

2.2 信号发生器的总方案

   信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，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。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，

本课题中函数发生器电路组成如下所示：

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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。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。

三  单元电路设计

3.1 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，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。

3.2 方波---三角波转换电路的工作原理

图3-2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|=|—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

               （3-2-1）

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

                      （3-2-2）

若Uo1=—VEE，则比较器翻转的上门线电位

                       （3-2-3）              

 比较器的门限宽度                  (3-2-4)

 由式子（3-2-1）～(3-2-4)可以得到比较器的电压传输特性，如图所示。

图3-3

图3-2

a点断开后，运放A2与R4、RP3、C2、及R5组成反相积分器，其输入信号为方波U01，则积分器的输出

                               (3-2-5)

当U01=+Vcc时，                      (3-2-6)

当U01=-Vcc时，                      (3-2-7)

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3-4   方波—三角波波形

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

                                         （3-2-8）

方波—三角波的频率

                                     （3-2-9）

由式子（3-8）及（3-9）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。

 3.3 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。

原理图如下：

图3-5 方波-正弦波函数发生器实验电路

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：       （3-3-1）

　　　　     Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)]  （3-3-2）

式中　　

——差分放大器的恒定电流；——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

　　　　　　　            （3-3-3）式中　　Um——三角波的幅度；

     　　T——三角波的周期。

  将式（3-3-3）代入式（3-3-2），得

         4Um/T(t-T/4)    (0<=t<=T/2)

Uid=

       -4Um/T(t-3T/4)  (T/2<=t<=T)        （3-3-4）  

波形变换过程如下图：

 图3-6 

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

（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，Rp4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

（3）3.4 电路的参数选择与计算

图3-7  三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路

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。四 电路的安装与调试

4.1 静态调试

     整个电路连接完之后，就可以对该电路进行调试和检测了，以发现和纠正设计方案的不足之处。

在进行调试和测试之前，首先要对电路进行检查。对照原理图按顺序一一检查，以免产生遗漏。以元件作为中心进行检查，把每个元器件的引脚依次检查，看是否有接错线或者漏接等问题，为了防止出现错误，最好对已经检查好的线路在原理图上做好标记，倘若线路检查无误，则可以对线路进行调试和测试了。

 用万用表适当的档位对线路进行测试，看线路是否有短路或者断路等问题，如果出现错误，就立即进行改进，修改再进行调试。

4.2 动态调试

4.2.1  方波—三角波发生器的调试

   由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波和正弦波，所以这两个单元电路可以同时安装。但是需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则会导致电路不起振。如果电路接线正确。则在接通电源后，A1输出为方波，A2输出为三角波，微调RP1，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节RP2，则输出频率连续可变。

4.2.2 三角波—正弦波变换的调试

 1）差分放大器传输传输特性曲线调试。将C4与RP3的连线断开，经电容C4输入差模信号电压uid=50mV，fi=10kHz的正弦波。调节RP4及电阻R，使传输特性曲线对称。再逐渐增大uid，直到传输特曲线形状如图3-6所示，记下此时对应的uid，即uidm值。移去信号源，再将C4左端接地，测量差分放大器的静态工作点Io、Uc1Q、Uc2Q、Uc3Q、Uc4Q。 

2）三角波-正弦波变换电路的调试。将RP3与C4连接，调节RP3使三角波的输出幅度经由RP3  后输出等于uidm值，这时U03的输出波形应接近正弦波，调整C6大小可以改善输出波形。如果U03的波形出现如图5-2-2所示的几种正弦波失真，则应调整和修改电路参数，产生失真的原因及采取的相应措施有：

①钟形失真       如图5-2-2（a）所示，传输特性曲线的线性区太宽，应减小RE2。

②半波圆顶或平顶失真      如图5-2-2（b）如示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R。

③非线性失真    如图图5-2-2（c）所示，三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络（如C6=100pF）改善输出波形。

图5-2-2 几种正弦波失真

4.3 调试中的注意事项

为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：  

(1)正确使用测量仪器的接地端

（2）测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。

（3）仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

(4）用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。

（5）调试过程中，不但要认真观察和测量，还要记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

（6）调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问

题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查。调试结果是否正确，在很大程度上受测量正确与否和测量精度的影响。

4.4误差分析

1. 方波输出电压Vp-p≤2Vcc，因为运放输出级是由NPN型或PNP型两种晶体管组成的复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时输出电阻的影响，使方波输出幅度小于电源电压值。

2. 方波的上升时间Tr，主要受到运放转换速度的。如果输出频率比较高，则可以接入加速器电容C（C一般为几十皮法）。可以用示波器（或者脉冲示波器）测量Tr。

五   元器件明细清单

该设计电路通过先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波，最终艰难而曲折的把简易信号发生器设计了出来

该设计电路的优点是输出波形的频率和幅度都连续可调。缺点是在调节频率的过程中正弦波的幅度会有所改变，而且波形的稳定度和失真度都会有很大的变化，这也就增加了电路调节的难度，在制成PCB板后才突然醒悟在比较器部分应该接入一个加速电容C,用来加速比较器的翻转。因此而留下了很多遗憾。总之，由于知识的有限，仿真结果不可避免的和设计要求产生了一定的偏差。

通过对函数信号发生器的设计，我学到了很多的知识，一方面，我掌握了常用元件的识别和测试方法；熟悉了常用的仪器仪表；以及如何提高电路的性能等等。另一方面，我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。