多波形函数信号发生器的设计

1、- 1 - / 32中文摘要中文摘要多波形多波形函数信号发生器的设计函数信号发生器的设计摘要摘要：多波形信号发生器是工业生产、产品开发、科学研究等领域必备的工具，它产生的锯齿波和正弦波、矩形波、三角波是常用的基本测试信号。它根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，其电路中使用的器件可以是分离器件，也可以是集成器件，产生方波、正弦波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过整形电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先产生三角波-方波，再将三角波或方波转化为正弦波。本设计主要是通过运算放大器，差分放大器来实现方波

2、转换成三角波，再将三角波转换成正弦波。设计时主要通过 EWB 软件来实现仿真。关键词关键词：函数信号发生器、误差分析、正弦波、三角波、方波英文摘要英文摘要Design of Function generator AbstractMulti-waveform signal generator is industrial production, product development, scientific research in areas such as the necessary tools, it generates sawtooth and sine wave, rectangular

3、wave, triangle wave is the basic test signals commonly used. It according to different purposes, there have three or more of the function generator waveforms, the circuit device can be used in the separation device, the device can also be integrated to produce square wave, sine wave, triangle wave h

4、as a variety of programs, Have a sine wave such as the first, according to a cyclical and non-sine wave of a sine wave was determined by the function, and then through the shaping circuit into a square wave to sine wave, after integration into the circuit after the triangular wave. Can also have a t

5、riangular wave - square, triangle or square wave and then into a sine wave. This design mainly through operational amplifiers, differential amplifiers to achieve a square wave into a triangle, then triangle into a sine wave.Designed primarily to achieve through the EWB simulation software.Keyword：sq

6、uare signalgenerator, error analysis, sine wave, rectangular wave, triangle wav目录目录1 引言引言.- 1 -2 函数信号发生器设计要求及过程函数信号发生器设计要求及过程.- 2 -2.1 函数信号发生器设计要求.- 2 -2.2 函数信号发生器电路设计的基本原理.- 2 -2.3 运算放大器的介绍.- 3 -2.3.1迟滞电压比较器.- 3 -2.3.2 积分电路.- 5 -2.4 差分放大器的介绍.- 6 -3 总体电路设计.- 7 -3.1 方波三角波产生电路的设计.- 7 -3.2 三角波正弦波变换电路的设

7、计.- 11 -4.1 EWB 软件的简介 .- 15 -4.1.1 EWB软件的概述.- 15 -4.1.2 EWB软件的基本操作方法.- 15 -4.2 函数信号发生器的仿真过程及结果.- 16 -4.2.1使用EWB对电路进行设计和实验仿真的基本步骤.- 16 -4.2.2方波三角波信号发生器电路的装调及仿真结果.- 16 -4.2.3三角波正弦波变换电路的装调和仿真.- 17 -结论结论.- 20 -参考文献（参考文献（REFERENCES）.- 21 -致谢致谢.- 22 -多波形多波形函数信号发生器的设计函数信号发生器的设计1 1 引言引言 信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在

8、20 年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40 年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到 1964 年才出现第一台全晶体管的信号发生器。自 60 年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形。函数信号发生器是一种常用信号源，它广泛地

9、应用在电子技术实验、自动控制系统和其他科研领域。它能够产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形，因其时间波形可用某种时间函数来描述而得名。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应用。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） 、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。信号发生器的应用非常广泛，种类繁多。首先，信号发生器可以分通用和专用两大类，专用信号发生器主要为了某种特殊的测量目的而研制的，如电视

10、信号发生器、脉冲编码信号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。其次，信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。再次，按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。但也可以通过频率合成技术来获得所需频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数信号发生器，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） ，也可以是集成电路（如单片集成电路函数信号发生器 ICL

11、8038） 。本课题主要介绍由集成运算放大器与晶体差分放大器组成的方波三角波正弦波函数信号发生器的设计方法。2 2 函数信号发生器设计要求及过程函数信号发生器设计要求及过程2.1 函数信号发生器设计要求1. 频率调节部分技术要求：（1）输出信号频率1Hz到100Hz可调。实现（1Hz-10Hz，10Hz-100Hz）频段连续可调。（2）频率稳定度不劣于1042. 输出波形部分技术要求 （1）方波输出信号的峰峰值VpUp24；(2)三角波输出信号幅度峰峰值VpUp8；(3)正弦波输出信号的峰峰值VpUp1。2.2 函数信号发生器电路设计的基本原理产生正弦波、方波和三角波的方案有很多种，比如先产生

12、正弦波，然后通过整形电路的正弦波变换成方波，再由积分电路将方波转换成三角波；也可以先产生三角波方波，再将三角波变换成正弦波或将方波变换成正弦波等等。本课题研究先产生方波三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，其电路组成如图 1 所示： 图 1 函数信号发生器组成框图2.3 运算放大器的介绍 集成运算放大器是一种十分理想的增益器件，常简称为运放，是具有很高放大倍数的电路单元 ，在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁

13、多，广泛应用于几乎所有的行业当中。尤其在模拟集成电路中，它的应用最广，几乎涉及模拟信号处理的各个领域。本设计中应用到的集成运算放大器是迟滞电压比较器和积分电路，下面将它们一一介绍：2.3.1 迟滞电压比较器电压比较器（Voltage Comparator）的作用是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高、低两个电平的电压，以满足后面连接的数字电路对 1和 0 两个逻辑电平的要求。电压比较器广泛应用于信号处理和检测电路、波形产生电路、A/D 和 D/A 转换电路等。将比较器的输出电压通过反馈网络加到同相输入端，形成正反馈，如图 2（a）所示，待比较电压1u 加在反相输入端。通常将这种电路称为

14、迟滞比较器（Hysteresis Comparator） ，又称施密特触发器（Schmitt Trigger） 。在理想情况下，它的比较特性如图 2（b）所示。由图可见，它有两个门限电压，分别称为上门限电压iU和下门限iU，两者的差值称为门限宽度或迟滞宽度（Hysteresis Voltage） ，即：iiUUU假设比较器输出高电平OHU，则OHU和REFU共同加到同相输入端的合成电压为REFOHURRRURRRU2112121当1u 由小增大地通过1U时，输出电压由OHU下跃到OLU。可见，上式所示的1U就是比较器的上门限电压，即1UUi。当比较器输出为低电平OLU时，按同样的分析求得加到同

15、相输入端合成电压为REFOLURRRURRRU2112122若1u 由大减小地通过2U ，则输出电压由OLU上跃到OHU。可见，上式所示的2U 就是比较器的下门限电压，既2UUi。相应的门限宽度为)(212OLOHiiUURRRUUU调节1R和2R，可以改变U。21543RR2R3R1D1D2UREFU1图 2（a）迟滞电压比较器 OU OHU iU iU OLU 图 2（b）迟滞电压比较器比较特性 2.3.2 积分电路积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。 它可以使输入方波转换成三角波或者斜波，也可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波，还可将锯齿波转换为抛

16、物波。积分电路被广泛的用于自控系统中的调节环节中，此外还广泛应用于波形的产生和变换以及仪表之中。 图3为有源积分电路。由图可见，输入信号电压Su在R中产生的电流Ruis1。这个电流全部转移到反馈支路，向C充电，形成相应的输出电压ou。若C上的起始电压为零，则tstodtuRCdtiCu00111实现理想的积分运算。21543CRRL+-UsU0+-i1图 3 积分电路2.4 差分放大器的介绍 差分放大器（Differential Amplifier） ，又称差动放大器，它是另一类基本放大器，它是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡输入和输出，也可以是单端（非平衡）输入

17、和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。 广泛应用于集成电路中。差分放大器的基本电路如图 4 所示。它是由两个对称的共发放大器通过发射极电阻EER相耦合而成的。一般采用正、负两个极性的电源供电，且|EEVVcc 。它有两个输入端，分别作用着输入信号电压1 iU 和2iU；有两个输出端。输出信号或从其中任一个集电极取出，称为单端输出，或从两个集电极之间取出，称为双端输出或浮动输出.RcRLRcRLREE+-Ui1VCCT2T1Ui2-+VEE图 4 差分放大器电路3 3 总体电路设计总体电路设计3.1 方波三角波产生电路的设计 图 5 所示的电路是能自动产生方

18、波三角波信号。电路工作原理如下：运算放大器1A与1R、2R及3R、1RP 组成迟滞电压比较器，1C称为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即，即0U，同相端接输入电压iU，1R称为平衡电阻。迟滞电压比较器的输出1oU的高电平等于正电源电压Vcc，低电平等于负电源电压|)|(|EEEEVVccV。当UU时，输出01U从高电平Vcc翻转到低电平EEV；当UU时，输出01U从低电平EEV跳到高电平Vcc。R1R2R3R4R5RP1RP2C1C2U01U022154321543图 5 方波三角波产生电路若VccU01，根据电路叠加原理可得iURPRRRPRVccRPRRRU13213

19、1322)(=0 将上式整理，得比较器翻转的下门限电位iU_为VccRPRRVccRPRRUi132132)(_若EEVU01，根据电路叠加原理可得iEEURPRRRPRVRPRRRU132131322)(将上式整理，得比较器翻转的上门限电位iU为VccRPRRVRPRRUEEi132132)(比较器的门限宽度VccRPRRUUUiiH1322由以上式子可得比较器的电压传输特性如图 6 所示。 1OU Vcc _Ui Ui Ui EEV 图 6 比较器传输特性运放2A与4R、2RP 、2C 及5R组成反相积分器。其输入是前级输出的方波信号1oU，从而可得积分器的输出2oU为dtUCRPRUoo

20、12242)(1当VccUo1时，电容2C 被充电，电容电压2CU上升tCRPRVccUO2242)(即2OU线性下降。当2OU下降到iOUU2时，比较器 A1 的输出1OU状态发生翻转，即1OU由高电平Vcc变为低电平EEV，于是电容2C 放电，电容电压2CU下降，而tCRPRVcctCRPRVUEEO2242242)()()(即2OU线性上升。当2OU上升到iOUU2时，比较器 A1 的输出1OU状态又发生翻转，即1OU由低电平EEV变为高电平Vcc，电容2C 又被充电，周而复始，振荡不停。可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系如图 7 所示。 图

21、7 三角波和方波的关系比较器和积分器首尾相连，形成闭合回路，则自动产生方波-三角波。三角201OUUiUiUEEVCCV波幅度moU2为 VccRPRRUmo1322 2oU的下降时间为dtdUUUtOii21)(,而 2242)(CRPRVccdtdUo 2OU的上升时间为dtdUUUtoii22)(,而2242)(CRPRVccdtdUo把iU和iU的值代入，的三角波的周期（方波的周期与其相同）为 13222421)(4RPRCRRPRttT从而可知方波三角波的频率为222413)(4CRRPRRPRf由 f 和moU2的表达式可以得出以下结论：(1)使用电位器2RP 调整方波三角波的输出

22、频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出信号频率范围较宽，可用2C 改变频率的范围，用2RP 实现频率微调。(2)方波的输出幅度应等于电源电压Vcc，三角波的输出幅度不超过电源电压Vcc。电位器1RP 可实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。实际设计中，1A和2A可选择双运算放大集成电路 LM747（也可以选其他合适的运放） ，采用双电源供电，VVcc12，VVEE12。比较器与积分器的元器件参数计算如下：由式VccRPRRUmO1322得 311242232VccURPRRmO取KR102，则KRPR3013，选择KR203，1RP 为k27的电位器。取平衡电阻KRPRRRPRRR10)

23、()(1321321由式224213)(4CRPRRRPRf得： 2213244CfRRPRRPR当ZZHfH202时，取FC102，则KRPR)75. 35 .37(24，选择 KR34，2RP 为k100的电位器。当ZZHfH20020时，取FC12以实现频率波段的转换（实际电路当中需要用波段开关进行转换） ，4R及2RP 的取值不变。平衡电阻KR105。1C为加速电容，选择电容值为pF100的瓷片电容。3.2 三角波正弦波变换电路的设计 本设计方案中，三角波正弦波的变换电路主要是由差分放大器来完成。差分放大器工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强，可以有效地抑制零点漂移。利用差分放大器可

24、将低频率的三角波变换成正弦波。这里选择的差分放大电路形式如图 8 所示。波形变换利用的是差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，差分放大器的传输特性曲线的表达式为 TidUUEeIIIc1011； TidUUEeIIIc1022式中1ECII ；0I为差分放大器的恒定电流；TU 为温度的电压当量，当室温为C25时mVUT26。根据理论分析，如果差分电路的差模输入idU为三角波，则1CI与2CI的波形近似为正弦波。因此，单端输出电压3OU也近似于正弦波，从而实现了三角波正弦波的变换。差分放大电路传输特性曲线的线性区越窄，其输出波形越接近于正弦波。在图 8 所示的电路中，电阻1*R与电位器3RP

25、 用于调节输入三角波的幅度，电位器4RP 用于调节电路的对称性，1ER 可以减小差分放大器传输特性的线性区。电容3C，4C ，5C为隔直电容，6C 为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。 RE4RE1RC1RC2RB2R*1RB1R*2RE3C3C4C5C6RP3T2U 03V CCT3T4RP4U 02+T1+图 8 三角波正弦波变换电路差分放大电路采用单端输入单端输出的电路形式，电路中晶体管604321。电源电压取VVcc12，VVEE12。三角波正弦波电路的参数选择的原则是：三角波经电容3C和分压电路1*R、3RP 给差分电路输入差模电压idU。因三角波的幅值为 8V，故取kR47*

26、1、 4703RP。因三角频率不太高，所以隔直电容3C，4C ，5C要取得大一些，这里取FCCC470543。滤波电容6C 视输出的波形而定，若含高次谐波成分较多，6C 可取得较小，一般为几十皮法至几百皮法。1001ER与1004RP相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源OI决定，故一般先设定OI。OI取值不能太大，oI越小，恒流源越稳定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但OI也不能太小，一般为几毫安左右.为保证差分放大器有足够大的输入电阻ir ，故取KRRBB8 . 621 。因为要求输出的正弦波峰峰值大于 1V，所以应使差分放大器的电压放大倍数40uA，根据

27、uA的表达式|)(2|1,beBLurRRA可求得电阻,LR ，进而取KRRCC1021。对于恒流源电路，其静态工作点及元器件参数如下：发射极电阻一般取几千欧姆，这里选择KRREE243, KR8*2。3.3 函数信号发生器总体电路图函数信号发生器总体电路图如图 9 所示图 9 函数信号发生器电路4 4 函数信号发生器的仿真函数信号发生器的仿真4.1 EWB 软件的简介4.1.1 EWB 软件的概述随着电子技术和计算机技术的飞速发展，促进电子电路及其应用系统设计手段也越来越先进。传统的电子电路与系统设计方法，周期长、耗材多、效率低，难以满足电子技术飞速发展的要求。 “电子工作台”(Electr

28、onics Workbench)， 即 EWB，是将先进的计算机技术应用于电子设计与仿真过程的新技术，它已被广泛应用于电子电路分析、设计、仿真、印刷电路板的设计等各项工作之中。EWB 为使用者提供了一个集成一体化的设计与试验环境，创建电路、实验分析和结果输出在一个集成菜单系统中可以全部完成。使电子电路及系统的设计产生了划时代的变化。极大地提高了设计质量与效率。EWB 与电路分析软件“SPICE”完全兼容，而且具有界面形象逼真、操作方便，采用图形方式创建电路等优点。EWB 有庞大的元器件库和比较齐全的仪器仪表库。54.1.2 EWB 软件的基本操作方法 EWB 继承了当前所有 windows 环

29、境下许多优秀应用软件的操作风格，软件中所有操作均可用鼠标实行拖放操作，即可见即可得。(1)元器件的操作首先在元器件栏中单击包含该器件的图标打开该元器件库，然后从元器件库中将该元器件拖至电路工作区。如果元器件的位置不合适的话，还可进行移动和旋转操作，同时还可对元器件进行复制、删除操作。以上这些操作均在工具栏中有相应的工具图标表示，另外，双击被选中的元器件，或者选择菜单命令 Circuit/component Properties（电路元器件特性）会弹出相应的对话框，对话框具有多种选项可供设置，包括 Label（中英文标识） 、Models（模型） 、Value（数值） 、Fault（故障设置）

30、、Display（显示） 、Analysis Setup（分析设置）等内容。(2)导线的操作首先将鼠标器指向元器件的端点使其出现一个小圆点，按下鼠标左键拖出一根导线并指向另一个元器件的端点使其也出现一个小圆点，按下左键时，导线自动消失，完成连线的删除，双击导线会弹出 WireProperties 对话框，选择 Schematic Options 选项并按下 Set Wire Color 按钮，可选择导线合适的颜色。(3)仪器的操作EWB 的仪器库存放有 7 台仪器可供使用，它们分别是数字多用表，函数信号发生器、示波器、波特仪、字符发生器、逻辑分析仪和逻辑转换器，这些仪器每种只有一台，在连接电路

31、时，仪器以图标方式存在。它们的共同特点：仪器面板的旋钮和按钮的布置乃至操作程序跟现实仪器十分相似，需要时，只要把它们拖至电路工作区连上导线即可设置仪器参数，这一步骤相当于现场对仪器的操作调整，非常生动形象，切合实际。104.2 函数信号发生器的仿真过程及结果4.2.1 使用 EWB 对电路进行设计和实验仿真的基本步骤 1. 用虚拟器件在工作区建立电路；2.选定元件的模式、参数值和标号； 3.连接信号源等虚拟仪器； 4. 选择分析功能和参数；5.激活电路进行仿真；6.保存电路图和仿真结果。94.2.2 方波三角波信号发生器电路的装调及仿真结果在 EWB 软件环境下建立电路图，并仔细检查电路。由于

32、比较器与积分器组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，所以这两个单元电路可以同时安装。安装电位器 RP1 和 RP2 之前，要将其调整到设计值，本设计中，kRP101，2RP 取k)5 .3775. 3(内任一阻值，否则电路可能会不起振。只要电路接线正确，通电后，01U的输出为方波，02U的输出为三角波，微调1RP ，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节2RP ，则输出频率在对应波段内连续可变。方波三角波电路如图 10 所示，仿真结果如图 11 所示： 图 10 方波三角波电路图 11 方波三角波电路仿真结果4.2.3 三角波正弦波变换电路的装调和仿真(1)差分放大器传输特性曲线的调试和

33、仿真在 EWB 软件环境下建立电路图，设定各元件参数并仔细检查电路。检查电路无误后，将4C 与3RP 的连线断开，经电容4C 输入差模信号电压mVUid50，ZiHf100的正弦波。调节4RP 及电阻*2R ，使传输曲线对称。在逐渐增大idU，直到传输特性曲线形状如图所示，此时对应的mVUidm55。仿真电路图如图 12 所示，特性曲线仿真结果如图 13 所示：图 12 差分放大器仿真电路图 13 差分放大器特性曲线仿真结果(2)三角波正弦波变换电路的调试和仿真将3RP 与4C 连接，调节3RP 使三角波的输出幅度等于idmU为 55mV，这时3oU输出的波形应接近于正弦波，调整6C改善波形。如果03U的波形出现较严重的失真，则应调整和修改电路参数。如果产生半波圆顶或平顶失真，是由于工作点 Q 偏上或者偏下所致，这时传输特性曲线对称性差，应调整电阻*2R ，如果产生钟形失真，则传输特性曲线的线性区太宽，应减小2ER,如果产生非线性失真，是因为三角波的线性受运放性能的影响而变差，可在输出端加滤波网络改善输出波形。三角波正弦波变换电路如图 14 所示，仿真结果如图 15 所示：图 14 三角波正弦波