简易函数信号发生器

2024-10-18 来源：威能网

武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

课程设计任务书

学生姓名：专业班级：

指导教师：工作单位：信息工程学院题目: 简易函数信号发生器

初始条件：主要元件：μA741，三极管3DG130

电阻、电位器、电容若干直流电源Vcc=+8V，VEE=-8V

要求完成的主要任务:

1.设计任务：根据已知条件，完成对方波－三角波－正弦波发生器的设计、

装配与调试。

2．设计要求

①频率范围 10~100Hz，100 Hz~1KHz，1 KHz~10 KHz；方波VPP≈14V,幅度连续可调，线性失真小三角波VPP≈5V,幅度连续可调，线性失真小正弦波VPP≈3V，幅度连续可调，线性失真小

② 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。 ③ 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

时间安排：

2013年1月14日上午8:00在新三202理论讲解

第20周理论设计，实验室安装调试，地点：鉴主13楼通信工程综合实验室

指导教师签名：

2013年 1月 26日

系主任（或责任教师）签名：

2013 年 1月27日

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摘要................................................................................................................................ 3 Abstract .......................................................................................................................... 3

简易函数信号发生器的制作................................................................................. 4 1 概述..................................................................................................................... 4 1.1函数信号发生器的介绍.................................................................................. 4 1.2性能指标.......................................................................................................... 4 2 电路方案比较与选择................................................................................................ 5

2.1电路方案的列举.............................................................................................. 5 2.2电路方案的选择.............................................................................................. 5

2.2.1方案选择的原因................................................................................... 5 2.2.2原理框图............................................................................................... 6

3 单元电路设计............................................................................................................ 6

3.1方波发生电路.................................................................................................. 6 3.2方波—三角波转换工作电路.......................................................................... 7 3.3 三角波-正弦波转换电路............................................................................... 9

3.3.1 三角波-正弦波转换电路原理图........................................................ 9 3.3.2 三角波-正弦波转换电路原理.......................................................... 10 3.4电路参数计算................................................................................................ 12

3.4.1方波-三角波部分............................................................................... 12 3.4.2 三角波—正弦波部分........................................................................ 13 3.5 总电路图....................................................................................................... 14 4 电路仿真及实际波形对比...................................................................................... 14

4.1 方波波形....................................................................................................... 14 4.2 三角波波形................................................................................................... 18 4.3 正弦波波形................................................................................................... 21 4.4 仿真结果分析............................................................................................... 24 5 电路的安装与调试.................................................................................................. 24

5.1 静态调试....................................................................................................... 24 5.2 波形的调试................................................................................................... 24

5.2.1方波—三角波发生器的调试............................................................. 24 5.2.2 三角波—正弦波变换的调试............................................................ 25 5.3 调试中的注意事项....................................................................................... 26 5.4 误差分析....................................................................................................... 26 5.5 实物图........................................................................................................... 27 6 课程设计总结.......................................................................................................... 27 7.元器件明细清单...................................................................................................... 28 8 参考文献.................................................................................................................. 29

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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出——方波-三角波-正弦波函数发生器。设计中首先确定了电路方案：由迟滞比较器、积分器和差分放大电路组成；接着对各单元电路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；再用Multisim仿真软件对电路进行仿真分析。仿真达到了设计要求。最后展示实物及波形并分析出现误差的原因以及影响因素。

关键词：迟滞比较器，积分器，差分放大电路

Abstract

Function Generator is widely used in circuit experiment and maintenance of equipment. This article described the composition, function, and principle of the Function Generator which can provide square wave, triangular wave and sine wave. The Function Generator is made up by hysteresis comparator, integrator and differential amplifier. After I decided the plan, I use the software called Multisim to make a simulation. At last, the real object is displayed.

Key words: hysteresis comparator, integrator, differential amplifier

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简易函数信号发生器的制作 1 概述

1.1函数信号发生器的介绍

把能产生多种波形，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着广泛的应用，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、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、淬火、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。

1.2性能指标

设计并制作一个信号发生器具体要求如下： 1、能够输出正弦波、方波、三角波

2、输出信号频率范围为10~100Hz，100 Hz~1KHz，1 KHz~10 KHz； 3、输出信号幅值：方波VPP≈14V,幅度连续可调

三角波VPP≈5V,幅度连续可调正弦波VPP≈3V，幅度连续可调

4 电源：±8V直流电源供电

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2 电路方案比较与选择

2.1电路方案的列举

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。

方案一：用方波和三角波产生电路（迟滞比较器和积分器）输出方波和三角波，再通过三角波—正弦波转换器（差分放大电路）产生正弦波。

方案二：用RC文氏桥振荡电路产生正弦波，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。

方案三：先由过零比较器和稳压管组成方波产生电路产生方波，再经过RC积分电路后输出得到三角波，产生的三角波经二极管折线近似电路实现三角波到正弦波的转换。

2.2电路方案的选择

2.2.1方案选择的原因

由于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。所以决定选用方案一。

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2.2.2原理框图

图2.2.2

3 单元电路设计

3.1方波发生电路

3.1.1方波发生电路的原理图

图3.1.1

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3.1.2方波发生电路原理

此电路由反相输入的迟滞比较器和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=+,则同相输入端电位=+。通过R3对电容C正向充电。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，趋于+；但是，一旦=+,再稍增大，从+跃变为-,与此同时从+跃变为-。随后，又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，趋于-；但是，一旦=-,再减小，就从-跃变为+，从-跃变为+，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—三角波转换工作电路

图3.1.1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；比较器的输出的高电平等于正电源电压+，低电平等于负电源电压—VEE（|+|=|— |）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出从高电平+跳到低电平—，或从低电平—跳到高电平+。设U01=+，则

UR3RPR21(VCC)Uia0（3-2-1）

R2R3RPR2R3RP11

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

UiaR2R2(VCC)VCC（3-2-2）

R3RPR3RP11若Uo1=—VEE，则比较器翻转的上门线电位

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UiaR2R2(VEE)VCC （3-2-3）

R3RPR3RP11比较器的门限宽度

UHUiaUia2R2ICC(3-2-4)

R3RP1 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3-2-1

A点断开后，运放U2与R4、RP3、C1或C7或C8组成反相积分器，其输入信号为方波U01。以C1为例，则积分器的输出

Uo21Uo1dt (3-2-5) (R4RP2)C1当=+时，Uo2VCCt (3-2-6)

(R4RP2)C1VEEt(3-2-7)

(R4RP2)C1当=-时，Uo2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。

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图3-2-2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

UO2mR2VCC（3-2-8）

R3RP1方波—三角波的频率

fR3RP1

4R2(R4RP2)C2 （3-2-9）由式子（3-2-8）及（3-2-9）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+ 。三角波的输出幅度不超过电源电

压+。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

3.3.1 三角波-正弦波转换电路原理图

三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

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原理图如下：

图3-3-1

3.3.2 三角波-正弦波转换电路原理

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：

IC2aIE2

aI0（3-3-1） Uid/UT1e(-U/U)

Ic1=aIE1=a/[1+e] （3-3-2）

式中 aIC/IE1

I0——差分放大器的恒定电流；

UT——温度的电压当量，当室温为25oc时，≈26mV。

如果为三角波，设表达式为

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4UmTTt4Uid

4Umt3TT4T0t2（3-3-3）  TtT2式中 ——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3-3-2

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

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（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）三角波的幅度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

3.4电路参数计算

3.4.1方波-三角波部分

运放U1与U2用uA741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+8V,-VEE=-8V. 比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。由式（3-8）得

R2Vo2m2.51

R3RP1Vcc83取R2=15KΩ，则R3+RP1=45KΩ，取R3=30KΩ，RP1为20KΩ的电位器。平衡电阻R1=R2∥(R3+RP1)15k，取R1=15KΩ 由（3-2-9）得fR3RP1（R4取0）

4R2(R4RP2)C2即RP2=(R3+RP1)/(4FC2R2)

1. 当10Hz≤f≤100Hz时，C1=0.47uF，0因10KΩ< RP2<100KΩ，

所以RP2 =100KΩ（这里C取1uF时不容易起振，所以换成0.47uF）。

2.当100Hz≤f≤1kHz时，RP2的取值不变，取C7=0.1uF以实现频率

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波段的转换。

3.当1kHz≤f≤10kH时，RP2的取值不变取C8=0.01uF以实现频率波

段的转换。

3.4.2 三角波—正弦波部分

3.4.2.1 差分放大电路元件参数确定

取R5=R6=30 KΩ, R11=R13=2KΩ,取I0=0.4mA, 而

I0=(R8/R9)IREF (3-4-1) IREF=（|V EE |- UEB）/(RE4+R)=（8-0.7）/（RE4+R ） (3-4-2) 取R8=20 KΩ，R=470Ω,代入(3-4-2)，得IREF=0.35 mA，

将IREF=0.35mA代入(3-4-1)，得R9=20 KΩ

3.4.2.2 三角波—正弦波电路元件参数确定

隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率不是很大，取C3=0.47uF，C4=470uF,C=0.01uF，滤波电容C2、C5 、C6视输出的波形而定，分别与各频率范围对应，其中：

C2对应C1 （10Hz≤f≤100Hz） C5对应C7（100Hz≤f≤1KHz） C6对应C8（1KHz≤f≤10KHz）

又取 R7=2K欧与RP4=2K欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。

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3.5 总电路图

图3-5

4 电路仿真及实际波形对比

4.1 方波波形

1. 开关打到C2=0.47uF时的情况，此时f≈28.9Hz，V≈14.2V

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图4-1-1（a）

实际波形

图4-1-1（b）

2. 开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈134Hz，V≈14.2V

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图4-1-2（a）

实际波形

图4-1-2（b）

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3.开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1.22kHz，Vp-p≈14.1V

图4-1-3

（a）

实际波形

图4-1-3（b）

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4.2 三角波波形

1. 开关打到C1=0.47uF时的情况，此时f≈28.9Hz，V≈4.76V

图4-2-1（a）

实际波形

图4-2-1（b）

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2.开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈134Hz，V≈4.79V

图4-2-2（a）

实际波形

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图4-2-2（b）

3.开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1.22kHz，Vp-p≈5.10V

图4-2-3（a）

实际波形

图4-2-3（b）

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4.3 正弦波波形

1. 开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈28.9Hz，V≈2.97V

图4-3-1（a）

实际波形

图4-3-1（b）

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2. 开关打到C2=0.1uF时的情况，此时f≈134Hz，V≈2.13V

图4-3-2（a）

实际波形

图4-3-2（b）

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3. 开关打到C1=0.01uF时的情况，此时f≈1.22KHz，Vp-p≈2.48V

图4-3-3（a）

实际波形

图4-3-3（b）

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4.4 仿真结果分析

由仿真结果可知：只要通过控制开关就可以实现频率波段的转换，而且可以看出当RP2在调好后基本不变时，当开关打到C1输出波形的频率大体上是开关打到C2时的10倍，基本达到了设计电路的预期效果。同时也可以看出在频率.幅值.波形稳定度等方面都产生了一定的误差。

5 电路的安装与调试

5.1 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。

5.2 波形的调试

5.2.1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

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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。

5.2.2 三角波—正弦波变换的调试

调节RP3使三角波的输出幅度经由RP3 后输出等于要求值，这时U03的输出波形应接近正弦波。

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，应调节

Rp4。

② 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改善输出波形。

图5-2-2 几种正弦波失真

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5.3 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。

5.4 误差分析

1. 正弦波输出电压Vp-p≤3V，由于振荡条件，电容值太大不容易振荡，所以实际取值达不到理论值，其他电路元件对整个电路也会影响正弦波的输出。 2. 方波在低频时，有些失真。

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5.5 实物图

图5-5

6 课程设计总结

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。

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。

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7.元器件明细清单

名称运算放大器电阻规格 741 1KΩ 2KΩ 470Ω 10 KΩ 20 KΩ 30 KΩ 15 KΩ 电位器 2KΩ 20K 100KΩ 电容 470μF 0.47μF 0.2μF 0.1μF 0.01μF 三极管

数量 2 2 3 2 2 2 3 1 1 1 2 2 1 1 2 2 4 9013 武汉理工大学《模拟电子技术基础》课程设计说明书

8 参考文献

［1］胡宴如《模拟电子技术基础》高教出版社

［2］谢自美《电子线路设计.实验.测试》华中科技大学出版社［3］高吉祥《电子技术基础实验与课程设计》电子工业出版社［4］吴友宇《模拟电子技术基础》清华大学出版社［5］http://www.elecfans.com/

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本科生课程设计成绩评定表

姓名专业、班级课程设计题目：课程设计答辩或质疑记录：性别成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）

指导教师签字：

年月日 30

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