函数信号发生器毕业设计

毕业设计说明书

设计题目:     函数信号发生器设计     

专    业:        应用电子技术        

班    级:        ************        

学    号:        **************      

姓    名:          ********          

指导教师:          ********          

二00九年十二月五日

四川信息职业技术学院毕业设计（论文）任务书

学 生

目  录

摘  要    II

第1章  绪论    1

第2章  电路方案的确定    2

2.1 电路方案选择    2

2.2 电路框图及工作原理    2

第3章  单元电路设计    3

3.1 正弦波振荡电路    3

3.1.1 电路工作原理    3

3.1.2 参数计算    4

3.2 电压比较器    6

3.2.1 电路工作原理    6

3.2.2 参数计算    8

3.3 积分电路    8

3.3.1 电路工作原理    8

3.3.2 参数计算    9

第4章  电路仿真    11

4.1 仿真方法    11

4.2 仿真结果    12

第5章  电路安装及调试    14

结  论    15

致  谢    16

参考文献    17

附  录    18

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。本设计通过对函数波形发生器的原理以及构成分析设计一正弦波-方波-三角波函数发生器。设计中首先确定了电路方案：由文氏振荡器、滞回比较器、积分器组成；接着对各单元电路的的工作原理进行了分析，对电路中各元器件的参数进行了计算；再采用Electronics Workbench仿真软件对电路进行仿真分析。仿真达到了设计要求。

关键词 文氏振荡器；滞回比较器；积分器

第1章  绪论

能产生多种波形，如三角波、锯齿波、方波、正弦波的电路被称为函数信号发生器，又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有广泛的应用。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。例如在通信、广播、电视系统中都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频），视频信号和脉冲信号运载出去，就需要产生高频振荡器。

作为基础测量仪器的信号发生器随着用户的需求而不断发展。信号源实质上就是一个扫频示波器或合成信号源，并具有基本的调制功能。现在是数字化时代，研发或其他人员对测量仪器是最基本的工具，测量仪技术指标上也不断提高。如精度高、工作频带宽、误差小等。能够满足不同层次用户的测试要求。近几年，数字化仪器在迅速发展，我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。

目前使用的信号发生器大部分是利用ATS51单片机构成的发生器，但本次设计要求采用分立元件产生正弦波、方波、三角波。电路的原理部分的设计，可以是先设计单元电路，然后用仿真软件模拟，等到各个单元都设计完成后，再将各个单元结合到一起，由仿真软件模拟是否符合制作要求。本次设计就是按照这样的思路来进行一步一步的分析：首先按照设计的方案选择具体的元件，画出仿真图，并对仿真图进行调试，观察效果并与课题要求的性能指标作对比，最后分析出现误差的原因以及影响因素。在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。

第2章  电路方案的确定

2.1 电路方案选择

函数信号发生器实现的方法通常有以下几种：

（1）可以由晶体管、运放等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能调节，二者互相影响。

（2）用分立元件组成的函数发生器：价格比芯片实惠，结构简单，容易实现。

由分析选择方案（2）。

2.2 电路框图及工作原理

1．电路框图

由方案（2）可得电路组成框图如图2-1所示。

图2-1 电路组成框图

2．电路工作原理

根据图2-1分析，正弦波振荡电路可以产生正弦波，正弦波振荡电路的输出端作为电压比较的输入端，比较器又可产生方波，比较器的输出端可作积分器的输入端通过积分器输出三角波。

第3章  单元电路设计

3.1 正弦波振荡电路

3.1.1 电路工作原理

1．正弦波产生电路

正弦波产生电路即为正弦波振荡器。受集成运放带宽所限，振荡频率均不高，一般为1Hz~1MHz。

正弦波振荡器常用的电路结构有移相式正弦波振荡器、文氏电桥振荡器及积分式正弦波振荡器等。

2．文氏电桥振荡器

文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路。它用于产生f0≤1MHz的低频振荡信号，振幅和频率较稳定，而且频率调节方便。许多低频信号发生器其主振器均采用这种电路。

文氏电桥振荡器是利用零相移网络，作为反馈回路，接于运放同相输入端，同时接入适当的负反馈，控制运放增益，组成正弦波振荡器。图3-1a）为典型的文氏电桥振荡器电路。

a）文氏振荡器                    b）具有稳幅机构的文氏振荡器

图3-1 文氏振荡电路

图中RC串、并联网络引入同相端形成正反馈，并且由它决定振荡频率，使得在

                      （3-1）

时，因串、并联网络引入的相移φ=0，从而满足自激振荡相位平衡条件

ΦA即运放相移，低频时ΦA=0。

R1、R3引入负反馈，根据振幅条件来调节运放增益。振幅平衡条件为AF=1，在f=f0时

                              （3-2）

对振荡器而言，Auf为负反馈放大增益

  即    或            （3-3）

该电路依据集成运放的非线性限幅，故波形会产生较大失真。为此，实际电路中需设自动稳幅机构。

电路如图3-1b）所示。图中负反馈电路中的二极管V1、V2即为自动限幅元件，R3是为克服硅二极管“死区”而设置的。它是利用二极管的正向电阻随所加电压而改变的特性，达到调节负反馈深度的目的，即当振幅增大时二极管的正向电阻变小，负反馈加强，使振幅减小。采用两只二极管反向并联，目的是使输出正反馈两个半周期轮流工作，使正、负半振幅相等。显然，这两只二极管特性应相同，否则正负半周振幅将不同。

3.1.2 参数计算

1．选定具有稳幅作用的文氏电桥振荡器

如图3-1b）所示，常用的稳幅方法，是利用放大器负反馈强弱的自动调节作用来实现稳幅。即振幅增大时，若能使负反馈系数R1/(R1+Rf)也自动增大，负反馈作用加强，则抑制了振幅的继续升高；反之，若振幅减小时，反馈系数自动减小，负反馈作用减弱，则抑制了振幅继续下降，这样就达到了稳幅的目的。为了进一步改善输出电压幅度的稳定问题，可以在放大电路的负反馈回路里采用非线性元件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。

2．根据设计要求的振荡频率，计算RC之积

即

3．确定R、C值

为使选频网络的选频特性尽量不受运放输入、输出电阻的影响，应按下列关系选R的值，即

Ri为运放同相输入电阻（约几百千欧以上），R0为其输出电阻（约几百欧下）因此，可选R=15KΩ,则C的值为

取标称值C=0.01μF。然后复算R的值，则R=15.9KΩ，取标称值R=16KΩ。

注意选用稳定性较好、精度较高的电阻和介质损耗小的电容。

4．确定R3和R2值

电阻R2和R3可根据式（3-3）来确定，通常取R2=2.1R3，这样既能保证起振，又不引起严重的波形失真。另一方面，为了减小运算放大器输入失真电流及其漂移的影响，应尽量满足R=R3//Rf，于是可导出

取标称值R3=24KΩ，则

5．稳幅二极管V1、V2及R2、Rf的选择

稳幅电路由两只反向并联的二极管与R2并联组成。在振荡过程中，V1、V2交替导通和截止。如果由于外界因素使振幅增大时，二极管rd将减小，即R2值减小，负反馈系数自动变大，正反馈作用加强，从而抑制了振幅上升。振幅下降时的稳幅过程就不言而喻了。

选用稳幅二极管应注意两点：

（1）从提高振幅的温度稳定性考虑，宜选用硅二极管。这里选用2CK型开关二极管。

（2）为了保证上、下振幅对称，二极管V1、V2的特性参数应匹配。

稳幅二极管的非线性程度越大，负反馈自动调节作用越灵敏、稳幅效果越好。但是二极管特性的非线性，又会引起波形失真。为减小非线性失真，可在二极管两端并上一个小电阻R2。显然，R2值越小，对二极管非线性的削弱作用越大，波形失真会减小，但同时稳幅效果也变差。

可见选择R2时，应两者兼顾实践证明，取R2≈rd时，效果最佳。通常R2取几千欧姆，R2选定后，Rf的值便可以初步确定。因为

则

取R2=6.8KΩ，则Rf=50.4KΩ-3.4KΩ=47KΩ，选WXWX-3型47KΩ多圈微调电位器。

6．选择运放型号

运放的选择，除要求输入电阻高、输出电阻低以外，最主要的是运放的增益带宽积应满足以下条件，即

因振荡输出幅度较大，集成运放工作在大信号状态。因此要求转换速率SR满足

3.2 电压比较器

3.2.1 电路工作原理

1．方波产生电路

电压比较器是一种常见的信号幅度处理电路，在越限报警、波形整形、信号产生、模数转换等各方面均有广泛应用。常用的矩形波产生电路有过零比较器、窗口比较器、滞回比较器。

2．滞回比较器

基本电压比较器电路简单，但除了用于纯粹的电压比较器外，几乎没有实用价值。因为在实际生产和实验中，不可避免的会有干扰信号，干扰信号的幅值如果恰好在参考电压附近，就会引起电路输出的频繁变化，致使电路的执行元件产生误动作。此时，电路的灵敏度高反而成了不利因素。如何将干扰信号滤除而又能使电路正常工作呢？只有滞回比较器可以解决这个矛盾。

滞回比较器的电路如图3-2a）所示。

a）滞回比较器                 b）滞回比较器的电压传输特性 

图3-2 滞回比较器

在电路中，引入电压的增加，当ui很低时，运放A2输出电压的增加，当ui达到门限电压UTH+时

            （3-4）

比较器发生器翻转，输出低电平。此时输出电压

当输出电压由高逐渐降低时，要一直降到另一门限电压

        （3-5）

比较器才有发生翻转，比较器的输出转变为高电平。

则门限宽度为

              （3-6）

当输出信号在两个门限电压之间时，比较器的输出不发生变化。若干扰信号就在这两个门限电压之间，则电路的输出没有变化，相当于把干扰信号给滤除掉了。滞回比较器的特性还常用电压传输特性来表示，如图3-2b）（UTH+-UTH-）称为回差电压，回差电压的值可以按照电路工作地点的干扰情况通过实验加以确定，以有效地滤除干扰。在生产实践中，经常需要对温度、水位进行控制，这都可以用滞回比较器来实现在一定的温度范围内或水位范围内的控制。同时滞回比较器还经常用于信号整形，如将一波形较差的矩形波整形成较理想的矩形波。

3.2.2 参数计算

1．确定Dw

根据题目要求：UP-P≥10V，VP-P=±(VZ+VD)，选择VZ=5V，即选择DW的稳压值为5V稳压二极管。选择IN4733，其稳压值为5.1V，IZ=49mA。

2．R7为稳压二极管限流电阻

设ΔUTH=1V，则R7=7K

根据公式（3-6）有2R1/R1+R2=1/UZ+UD取R1=10KΩ，R2=91KΩ，R4=9.1KΩ。

3.3 积分电路

3.3.1 电路工作原理

积分电路的形式可以根据实际要求来确定。若要进行两个信号的求和积分运算，应选择求和积分电路。若只要求对某个信号进行一般的波形变换，可选用基本积分电路。基本积分电路如图3-3所示。

图3-3 积分电路

输出电压

           （3-7）

上式表明，uo于ui的积分成比例，式中的负号表示两者的相位相反，R1Cf称为积分时间常数。

当ui为阶跃电压时，输出电压最后达到负饱和值。

当ui一定时，uo随着电容元件的充电按指数规律增长，其线性度较差。采用集成运算放大器组成积分电路，由于充电电流量是恒定的if≈i1≈Ui/R1的故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。

3.3.2 参数计算

1．确定时间常数τ=R8C2

τ的大小决定了积分速度的快慢。由于运算放大器的最大输出电压uomax为有限值（通常Uomax=±10V左右），因此，若τ的值太小，则还未达到预定的积分时间t之前，运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。

因此，当输入信号为正弦波时，τ的值不仅受运算放大器最大输出电压的，而且与输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信号，频率越低τ的值应该越大。

2．选择电路元件

（1）当时间常数τ=R8C2确定后，就可以选择R8和C2的值，由于反相积分电路的输入电阻Ri=R8，因此往往希望R8的值大一些。在R8的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的C2值，而且C2的值不能大于1μF。

τ=0.5ms取R8=10K，则C2=0.05μF，这里取C2=0.051μF。

（2）确定R9

R9为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取R9=R8。如R8=Ri=10KΩ，R8也就是输入电阻。

3．选择运算放大器

为了减小运放参数对积分电路输出电压的影响，应选择：输入失调参数（UIO、IIO、IB）小，开环增益（Auo）和增益带宽积大，输入电阻高的集成运算μA741。

第4章  电路仿真

4.1 仿真方法

从事电子产品设汁、开发等工作的人员，经常要求对所设计的电路进行实物模拟和调试。

其目的，一方面是为了验证所设计的电路是否能达到设计要求的技术指标，另一方面，通过改变电路中元器件的参数，使整个电路性能达到最佳值。以往的电路设计模拟，常常是制作一块摸拟试验板，在这块板上用买实际元器件进行试验和调试。取得数据后，再来修正原设计的电路参数，直至达到设计提出的要求。但由于受工作场地、仪器设备和元器件品种、数量的，有些试验往往无法及时完成。这样既影响工作的顺利进行，又束缚了设计人员的手脚。为了克服上述困难。加拿大Interactive Image Technologies公司于20世纪80年代末、90年代初推出了专门用于电子线路仿真的“虚拟电子工作台”（Electronics Workbench）软件，它可以将上述不同类型的电路组合成混合电路进行仿真。目前已在电子工程设计、电子类课程教学等领域得到了广泛的应用。

与其他的电路仿真软件相比较，Electronics Workbench具有界面直观操作方便等优点，它改变了有些电路仿真软件输入电路采用文本方式的不便之处。创建电路、选用元器件和测试仪器等可以直接从屏幕图形中选取，而且测试仪器的图形与实物外形基本相似。实验证明，具一般电子技术基础知识的人员，只要几个小时就可学会Electronics Workbench的基本操作，从而大大提高了电子设计工作的效率。

Electronics Workbench还是一种非常优秀的电子技术实训工具，因为掌握电子技术，不仅需要理论知识，而旦更重要的是通过实际操作来加深对内容的理解。作为电子类相关课程辅助教学和实训手段，它不仅可以弥补实验仪器、元器件缺乏带来的不足，而且排除了原材料消耗和仪器损坏等因素，可以帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述的内容，加深对概念、原理的理解，弥补课堂理论教学的不足，而且通过电路仿真．可以熟悉常用电子仪器的测量方法，进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力。

Electronics Workbench最明显的特点是仿真的手段切合实际。选用元器件和仪器与实际情形非常相近。绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取，而且仪器的操作开关、按键同实际仪器的极为相似，因此特别容易学习和使用。而且通过电路仿真，既掌握了电路的性能，又熟悉了仪器的使用方法。

Electronics Workbench的元器库不仅提供了数千种电路元器件选用，而且还提供了各种元器件的理想值，因此仿真的结果就是该电路理论理想值。这对于验证电路的原理和电子类课程的教学与实验极为方便。同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可从生产厂商的产品使用手册中查到，因此大大方便了使用人员。

4.2 仿真结果

通过EWB对电路进行仿真，结果如下：

1．正弦波仿真波形

正弦波仿真波形如图4-1所示。实测Vp-p≈22.2V，与设计要求值Vp-p≥20V有一定误差，但能满足要求。

图4-1 正弦波仿真波形

2．方波仿真波形

方波仿真波形如图4-2所示。实测Vp-p≈11V，与设计要求值VP-P≥10V有一定误差，但能满足要求。

图4-2 方波仿真波形

3．三角波仿真波形

三角波仿真波形如图4-3所示。实测Vp-p≈5V，与设计要求值VP-P≥4V有一定误差，但能满足要求。

4-3 三角波仿真波形

第5章  电路安装及调试

1．文氏电桥振荡器的调整与测试

（1）检查电路接线，应特别检查集成运放输出端有没有短路，正、负电源有没有接错，确认没有错误后合上直流电源。

（2）用示波器观察输出电压波形，若没有波形应调节Rf，增大R2值，直至出现振荡波形为止。若仍无波形，应切断电源，检查电路接线，直至找到并消除故障后，再接通电源。如果波形严重失真，应适当减小R2或R3。

（3）振荡频率的调整。固定电容C、改变电阻或固定电阻R、改变C（串并联R和C应同步调整），直至振荡频率达到要求为止。在测量振荡频率对，应选用输人阻抗高测试仪器，以免影响选频网络的元件参数。

（4）幅度与频率稳定度的测量。振荡电路经过上述调试，波形失真、频率及幅度均达到指标要求后，即可对输出信号幅度和频率稳定度进行测量，一般测量短期稳定值。例如：改变直流电源电压和改变负载阻抗的大小，分别测出输出电压及频率的变化时，从而求得幅度及频率稳定度为ΔU0/UO和f/f0。也可以通过测量1小时内幅度及频率的相对变化量，来确定振荡电路幅度和频率的稳定度。

2．滞回比较器的调试与测试

将电位器调至中心位置，用示波器观察输出波形。改变电位器的位置，观察输出波形。将电位器调至中心位置，短接一只稳压管，观察波形，分析元器件作用。

3．积分器的调试与测试

对于图3-3所示的反相积分器，主要是调整积分漂移。具体的调整方法是将电路的输人端接地，然后在积分电容两端接人开关或短路线将其短路，使积分器迅速复零。此时，可调整调零电位器，使输出电压为零。接下来，断开开关或去掉短路线，用电压表监测积分器的输出电压，再次调整调零电位器使输出电压为零。应当注意，此时由于积分零漂的影响，很难调整使uo=0。反复调节，直至积分器漂移值最小为止。

结  论

经过这段时间的努力，已经成功完成了正弦波、方波、三角波的设计与调试。通过这次实践，我了解了函数信号发生器的用途及工作原理，熟悉了函数信号发生器的设计步骤，锻炼了自己实践能力，培养了设计能力。同时，学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多经验公式的获得是前人不懈努力的结果。此次毕业设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是走向工作岗位前的一次热身。在设计最后通过仿真表明设计的电路原理正确，效果也很明显。但是毕业设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对材料的不了解等等。对于电量的定量分析也应进一步深入。

本次设计，收获颇多，学会了很多。首先，选课题，并在老师的指导下了解设计中的要求；其次，借来了相关的资料，进行分析，理论计算；再次，写报告，用Electronics Workbench作模拟仿真，并对原先的电容、电阻进行改进，使波形达到最佳效果。

致  谢

我要感谢指导老师，在这次设计中他为我设计做了多次修改，使我能顺利的完成。老师在百忙中抽出闲余时间指导我们的毕业设计，为我们讲清每一个不懂的问题，有时讲很久才能明白。但最终大家都很欣慰，因为知识让大家都在不断进步。

此次毕业设计是我们从大学毕业生走向未来成功重要的一步。从最初的选题，开题到计算、绘图直到完成设计。其间，查找资料，询问老师指导，与同学交流，反复修改论文和仿真图，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。

在这次设计中，老师和同学给予了很大的帮助。这次实践是对自己大学三年所学的一次大检阅，使我明白自己知识还很浅薄，虽然马上要毕业了，但是自己的求学之路还很长，以后更应该在工作中学习，努力使自己成为一个对社会有所贡献的人。

参考文献

[1] 谢自美．电子线路设计、实验、测试．第二版．华中科技大学出版社，2000

[2] 郑应光．模拟电子线路（一）．东南大学出版社，2000

[3] 陈梓城．实用电子电路设计与调试．中国电力出版社，2006

[4] 李万臣．模拟电子技术基础实验与课程设计．哈尔滨工程大学出版社，2001

[5] 郑应光．模拟电子线路（二）．东南大学出版社，2000

[6] 张树江．王成安．模拟电子技术(基础篇)．第二版．大连理工大学出版社，2001

附  录

总电路图

四川信息职业技术学院