北邮 函数信号发生器的设计与调测

1、北京邮电大学电子电路综合设计实验实验报告实验名称：函数信号发生器的设计与调测院系： 信息与通信工程学院 班级： 姓名： 学号： 班内序号：15 2014年4月30日【实验题目】函数信号发生器【背景知识】信号发生器又称信号源或振荡器，是用于产生特定参数的电测试信号的仪器。信号发生器按输出信号的波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。本实验所要求设计和制作的是能够产生多种波形，如三角波、矩形波（含方波）、正弦波的函数信号发生器。信号发生器在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。【实验目的】1.通过实验进一步掌握集成运放的使用方法。2.进一步提高工程设计和实践动手能力，

2、加强系统概念。【实验要求】1、基本要求：设计制作一个方波三角波正弦波信号发生器，供电电源为12V。1、输出频率能在KHZ10KHZ 范围内连续可调。2、方波输出电压VOPP12V（误差20%），上升、下降沿小于10S；3、三角波Vopp8V （误差20%） ；4、正弦波Vopp1V，无明显失真。2、提高要求：1、将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可挑范围为30%70%；2、三种波形的输出峰峰值VOPP 均可在1V-10V 范围内连续可调。摘要： 本实验旨在设计出一个产生频率，幅度可调的方波，三角波，正电路，其中方波占空比可调。方波-三角波发生电路由运放组成，由自激的电压比较器产生方波，积

3、分电路产生三角波，差分电路可实现三角波-正弦波变换。该电路振荡频率和幅度，方波的占空比用电位器调节；而正弦波幅度和电路的对称性也分别由两个电位器调节，末级加入增益可控的放大器，以实现波形良好，幅值可调的正弦波输出。关键词：方波、三角波、正弦波、频率可调、幅度可调一 方案设计1. 方案选择：函数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，由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的器件，也可以采用集成电路。根据任务要求可以拟出多种实现方案，其中，图一、图二为最常见的两种：方案一的电路较为简洁，首先由文氏桥电路输出正弦波，接迟滞

4、电压比较器产生方波，积分器产生三角波，整个电路使用三块集成运放及少量电阻电容即可。因此，首先选用方案一，但在实验中发现，正弦波频率的调整较为繁琐，在输出幅度较大时，波形较易出现失真。最终选择方案二来完成实验。电路由以下几个部分构成，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。二：实验原理、电路设计：1.方波三角波产生电路设计由于采用了运放组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，被限制在（Uz+Ud）之间。基本要求中方波的峰峰值为12V，故选用稳压值为6V的稳压管。方波经积分得

5、到三角波，幅度为Uo2=R1/R2（Uz+Ud），由R1和Rf的比值及稳压管的稳压值决定，基本要求中三角波的峰峰值为8V，R1和Rf的比值为2:3，鉴于增大谐振的可能，选择R1为20k，Rf为30k。R3为平衡电阻，根据电子电路的课本可计算出大概值为12k。方波和三角波的震荡频率相同，为f=1/T=Rf/4R1R2C，式中为电位器Rw的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。即调节RW可改变振荡频率。根据所需振荡频率的高低和对方波前后都读的要求，选择电压转换速率SR合适的运放。在产生方波的时候选用转换速率较快的运放LM318，产生三角波的时候选择运放UA741.根据计算可设定，C=0.0

6、1uf。R4为直流平衡电阻，其作用是减小后消除静态时可能在运放输出端产生的附加差模输入电压，为5.1k。根据所需要输出方波的幅度选择合适的稳压管和限流电阻R0的大小。选择限流电阻大小为2k。为了使电位器的a的变化范围较大，信号的频率范围可达到要求，1-10k范围可调，电位器Rw选择为10k。为了后期调试方便，R1也采用电位器。为了能够连续的调节幅值而不影响电路其他部分，在方波，三角波输出端和地间连接滑动变阻器来达到调节幅度的要求。加了滑动变阻器以后，频率会有一定改变，根据公式f=1/T=Rf/4R1R2C，对原件参数进行调整，确定最终参数。 占空比可调电路由两个二极管和一个10 的电位器组成。

7、为了改变输出方波的占空比，应改变电容 的充电和放电时间常数。该电路的振荡周期为=1+2=41(1+2) 。因此，可以通过调节2 来调占空比。2.三角波正弦波产生电路设计（1） 差动放大器设计：差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛的应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。A. 确定静态工作点电流、 静态时,差动放大器不加输入信号,对于电流镜3= 4= =4+3+4=4+24=4+244=3 而=4=3=(+)/(+4) 上式表明恒定电流3 主要由电源电压、和电阻、4决定，与晶体管的参数无关。由于差动放大器得静态工作点主要由恒流源决定，故一般先设定3。3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大器的

8、输入阻抗越高。但3取值也不能太小，一般为几个毫安。因此在实验中，取3=1。3确定后，有1=2=123=0.5 =+26(1+)1=+26(1+)123 B. 恒流源电路中电阻、 的确定由+=+ 其中=12=,的典型值为0.7 （在本次取值中可以忽略）,=1,故取=20，4=2。由于镜像电流源要求电阻对称，故取3=4=2。C. 差模特性差动放大器的输入和输出各含有单端和双端输入两种方式。因此，差动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。不同的连接方式，电路的特性不同。的取值不能太大，否则反馈太强，实验中一般取100左右的电位器，用来调整差动放大器的对称性。(2) 三角波正弦波产生电路图中1调节输

9、入三角波的幅度，2调整电路的对称性，并联电阻用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区。电容1、2、3为隔直流电容，4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出正弦波的波形。三角波正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥式电路、二极管可变分压器电路和差分放大器等。利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波正弦波的过程如上图所示。在实际实现的过程中，因为与电位器2并联，故要求其阻值相对较小，取其为100。电解电容1、2 为隔直流电容，为达到良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，故取1=2=10 。1调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调范围应该比较大，故取1=20 。1与2为平衡电阻，取值

10、为1=2=3.2。流进1，2集电极电流为0.5，为满足其正弦波的幅度大于1，取1=2=5.7，使得电流流经2的电压降不至于很大。4为滤波电容，其值应该满足要求的正弦电压幅度与频率，其值不能取太大，否则会是幅度太小无法达到要求，故取4=6800p 。至此，电路的设计基本完成，需要在实验中根据测试来进一步调试。整体电路三：电路的安装与调试1. 电路安装首先将面包板第一行作为正电源，最后一行作为负电源，中间两行作为地，方便电路的搭建。然后根据电路图，将所需要的运放、电阻、电容等元器件选择出来，必要的时候用万用表测量一下元件的参数,一步一步将元器件安放在面包板上，注意整体布局。安装完毕后一定要对电路图

11、再次检查一遍，防止电路接错将元器件烧坏。2. 电路测试 (1)接通电源，主意正负极的接法，用双踪示波器观察方波和三角波的输出，通过调节，调整波的频率；待各项指标达到标准后，用示波器观察三家波和方波的输出。间的电压为零。 (2) 差动电路的调整和测量a. 通过调节调节电路的对称性b. 用示波器进行调零监测电路、 两输入端接地，双踪示波器输入耦合方式设为 ，示波器第一路接在电路输出端 端之间，第二路接电路另一个输出端 端与地之间，将第二路反向按钮按下，再选择档，则可用示波器观察、 端之间的电压，调节，使示波器显示的、 端之c. 通过调节恒流源改变电路的静态工作电流差动电路的1与2的静态工作电流由恒

12、流源偏置电路决定，可改变恒流源偏执电路中的电阻 来改变各个晶体管的静态工作电流。差动放大电路静态的调零完成后，可以测各个晶体管的的静态工作点，测试方法可以参考晶体管单级放大电路电流静态工作点的测.2. 电路调试整个电路可以分为两部分，先调节第一部分，此时断开与第二部分正弦波发生器的联系，然后再用函数信号发生器产生合适的三角波来代替方波三角波发生电路来测试第二部分，这样可以先排除两个电路之间的相互影响，最后两部分都成功后再接在一起进行测试。根据仿真和理论分析，调节各个电位器，观察各个波形是否有失真，频率，幅度是否在要求范围内。将两部分电路连接后，发现后级电路对前级电路有一定影响，因此更换了一些电

13、阻。经过一段时间的调整后，最后发现均能满足基本要求，此外，方波的占空比可在10%-90%的范围内调整，方波，三角波的幅度可以在0-12v的范围内进行调整。但是正弦波的幅度无法达到10v，在2-3v的时候波形便出现了失真。为此，在正弦波的输出口添加一个反相比例运算放大器，反馈电阻由电位器替代，调节放大倍数。改进后电路四：数据记录频率范围： 80015kHZ方波： Vopp= 12v，上升沿，下降沿560ns，三角波： Vopp=8v正弦波： Vopp=2.4v占空比：15%-85%Vopp范围： 1v12V可调五：故障与问题分析1. 元器件安装时的问题a.将运放的接触端接错； b.插线与面包板插

14、孔接触不好；2.电路调试问题a.三角波的上升沿比较粗，下降沿比较细。通过改变R2和C1的值不断改变波形频率，最后得到相对对称的三角波上升下降沿。b.在调节输出电压频率的时候，最后的正弦波电压输出幅度会有较大的改变，这应是后级差放电路还不够稳定，对差分电路进行调整后，问题得以解决。六：总结和结论通过这次实验，在对上学期的模电课程有了更深的理解，把理论与实际相结合的基础上，我学会了电路的具体搭建和故障初步排除。实践过程中遇到了很多困难，不论是知识方面的还是搭建方面的。比如运放的易坏，让实验的调测过程都增加了不少难度。在实验过程遇到很多问题，但通过认真仔细的分析电路，查找电线的连接以及老师的知道和同

15、学们互相讨论的基础上下终于设计出了实验，并成功实现电路要求。通过这次实验，自己获益匪浅。此次实验的任务是要求我们综合运用自己所学的模电知识，通过查阅资料，设计和选取电路和元器件，并且使用软件进行仿真。最后做出方波三角波正弦波的函数发生器。这次课程设计，不仅仅让我学会了从最基本的面包板安装与布线的操作，到深层次的如何如选择和设计实际电路，更是大大加强了动手能力和理论结合实际的能力。从中我发现了自己的许多不足。一是书到用时方恨少：各种元器件的参数，电路的详细布局，每个部件的工作原理，这都是课本上未仔细提到的，需要查阅资料的，二是纸上得来终觉浅，尽管学习了主要部分的工作原理，但是在运用到实际电路中并

16、不能够熟练的使用自己所学到的模电知识。因此在以后的学习中，我要加强自己对电路的实际设计和使用的能力。附录所用元器件及测试仪表清单元器件DescriptionDesignatorValueCapacitorC0.01ufCapacitorC36800pCapacitorC42200pPolarized CapacitorC110ufPolarized CapacitorC210ufResistorR120kResistorRf30kResistorR312kResistorR02kResistorR44.7kResistorRc15.1kResistorRc25.1kResistorRb13.2kResistorRe100ResistorRb23.2kResistorR20kRes