函数信号发生器设计与制作报告

1、青海省第四届大学生电子设计竞赛设计报告号： 20130433函数信号发生器设计与制作报告录一、设计要求-3 -二、设计的作用、目的 -3 -三、性能指标-4 -四、设计方案的选择及论证 -4 -五、函数发生器的具体方案 -6 -1 .总的原理框图及总方案 -6 -2 .各组成部分的工作原理 -6 -2.1 方波发生电路-7 -2.2 三角波发生电路-9 -2.3 正弦波发生电路-10 -2.4 在Multisim 10.1中可得到图所示的波形 -14 -六、实验结果分析 -15 -七、实验总结-16 -八、参考资料-26 -九、 附录： 5v方急压电源 -30 -、设计要求. 信号发生器能产生

2、正弦波、方波和三角波三种周期性波形。.输出信号频率在100Hz100kHz范围内可调。.在1kQ负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在 05V范围内可调；. 输出信号波形无明显失真。. 自制稳压电源。二、设计的作用、目的1. 掌握函数信号发生器工作原理。2. 熟悉集成运放的使用。3. 熟悉 Multisim 软件。三、性能指标1 .输出波形：正弦波、方波、三角波等；2 .频率范围：10100Hz、1001kHz;3 .输出电压：正弦波0<U<5V四、设计方案的选择及论证数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

3、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（如低频信号函数发生器 S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块 8038）。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一方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波1 .万案一由555定时器所构成的多谐振动器产生方波，方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。采用分立器件实现电路组成，主要的部件电压比较器、 积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方

4、案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三级可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。2 .方案二采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM31&单片函数发生器模块5G803&选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方案通过 调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信 号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度 稳定性和频率稳定性。3 .方案比较与选择方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生3

5、00kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空 比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源 的要求。由于,555定时器所构成的多谐振动器产生方波是一种和常用的信号产生器，很具有实用价值，同时，也很容易买到，同时选用改进的555多谐振荡形式产生方波可以通过调节可调电阻的阻值来调节产生 方波的频率，产生的方波经过积分器的作用产生三角波，三角波在经 过差分放大电路的非线性转换为正弦波。差分放大器具有工作点稳 定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，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。上所述，我个人认为，选择第一种方案。用改进过的555多谐振荡形式产

6、生方波，经过积分器的作用产生三角波，三角波在经过差分放大电路的非线性转换为正弦波。五、函数发生器的具体方案1 .总的原理框图及总方案图1.1.1函数信号发生器原理图多波形信号发生器方框图如图1.1.1所示。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一三角波一正弦波函数发生器的设计方法。并采用先产生方波一三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法：由比较器和积分器组成方波 一三角波产生电路，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。设 计差分放大器时，传输特性曲线要对称、线性区要窄，输入的三角波的的 幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或

7、截止区。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。2 .各组成部分的工作原理2.1 方波发生电路一般原理来分析, 可以在滞回比较器电路的基础上, 靠正反馈和RC 充放电回路组成矩形波发生电路, 由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态，高电平或低电平，两种不同的输出电平式RC 电路进行充电和放电，于是电容上的电压降升高或降低，而电容的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC 电路由充电过程变成放电过程或相反，如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号有555 定时器构成多谐振动器产生方波（如下图）2.1.1

8、 方波产生电路当电容 c2 被充电时， 2 和 6 引脚的电压都上升， 此时二极管D1 导通，接通+12V电源后，电容C被充电，Vc上升，当 Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电 BJT T 导通，此时输出电平Vo 为低电平，电容 C 通过 R2 和 T 放电，使 Vc 下降。当 Vc 下降到 Vcc/3 时，触发器又被置位， Vo 翻转为高电平。电容器C经R2, R23, R21他们此时说分的总阻值设为R1'放电,放电所需的时间为：tPL=R1' C ln2 弋 0.7 R1 ' C;当 C 放电结束时， T 截止， Vcc 将通过R1、 R22、 R21

9、 所分得的阻值为R2'向电容器 C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为tPH=R2'C ln2 弋 0.7R2'C ;当 Vc 上升到 2Vcc/3 时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为f=1 / (tPL+tPH)1.43 / (R1' +R2 ) C态时 555 电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T 导通，输出端Vo 输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到 Vi 端。并使 2 端电位瞬时低于1/3Vcc ，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程， 电容 C 开始充电， Vc 按指数规律

10、增长。 当 Vc 充电到 2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1 翻转，输出 Vo 从高电平返回低电平， 放电开关管T 重新导通， 电容 C 上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形图见图图 2.1.2同时电路的频率可以通过调节电阻R21、R22、R23来改变电路的频率，从而使得电路的频率可以在一定的范围 内进行调节。2. 2由方波转化为三角波（利用积分器来实现）产生方波之后，利用此波形输入到一个积分电路便可输出一个三 角波。由于三角波信号是电容的充放电过程形成的指数形式，所 以线性度较差，为了能得到线性度较好的三角波，可以将运放和 几个电阻，

11、电容构成积分电路。角波发生电路仿真电路模型如图 5-2所示:图2.2.1波形发生器及图形如上图是一个由方波转换为三角波的电路图及其输出波形当A很大时，运放两输入端为“虚地"，忽略流入放大器的电流,令输入电压为Vi输出为Vo,流过电容 C的电流为i1则，有11CLA J即输出电压与输入电压成积分关系。当%为固定值时匕=* -i为矩形上式表明 输出电压按一定比例随时间作直线上升或下降。当 波时，便成为三角波。外，由于电容和滑动变阻器的存在，使得输出的三角波在输入矩形波频率 一定的时候也能适当调整，同时电容的存在，又滤除了其他波的干扰。提 高了系统的抗干扰性。由三角波转化正弦波利用差分放大

12、器传输特曲线的非线性，将三角波信号转化成正弦pp应iC=aI/1+exp(-Uid/UT)波信号。其传输特性曲线越对称，线性区越窄越好，三角波的幅值U 正好使晶体管接近饱和区和截止去。I 差分放大器的恒定电流；UT 温度的电压当量，当室温为250c时， =26mM如果Uid为三角波，设表达式为Uid(t尸4*Um*(t-T/4)/T (0<=t<=T/2)Uid(t尸-4*Um*(t-3叮/4)/T (T/2<=t<=T)式中Um三角波的幅度；T三角波的周期。为使输出波形更接近正弦波，(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

13、和区或截止区。(3)图为实现三角波一一正弦波变换的电路。其中RP1调节三角波的幅度，RP2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 C6,C7为隔直电容，C7为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。隔直电容 C6、C7要取得较大，因为输出频率很低，取 ，滤波 电容视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，-般为几十皮法至0.1微法。RE13=100欧与R25=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。2.4在Multisim 10.1中可得到图所示的波形图2.4.1 方波图2.4.2 三角波图2.4.3 正弦波图2.4.4总电路图图2.4.5仿真图由于c

14、通道输出的正弦波幅度很小，所以我们放大了果为d图200倍，其结六、实验结果分析比较器与积分器组成正反馈闭环电路，方波、三角波同时输出。电位器Rp1与Rp2要事先调整到设定值，否则电路可能会不起振。只要接线正确，接通电源后便可输出方波、三角波。微调Rp1,使三角波的输出幅度 满足设计要求，调节 Rp2,则输出频率在对应波段内连续可变。调整RR及电阻R,可以使传输特性曲线对称。调节 Rp3使三角波的 输出幅度经Rp3输出等于Uidm值，这时输出波形应接近正弦波，调节 C6 的大小可改善波形。因为运放输出级由 PNFH与NPN型两种晶体管组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与饱和导通，导通时受输出电阻的影响，使方波输出值小于电源电压值，故方波输出电压 Up-pW2Vcc。方波的上升时间tr主要受运算放大器转换速率的限制。实验中若波形幅值