函数信号发生器实验报告.doc

北京邮电大学
电子电路综合设计实验

实 验 报 告

实验题目：函数信号发生器的设计
院 系：电子工程学院
班 级：2014211212
姓 名：李瑞平
学 号：2014211104
班内序号：07

一、 课题名称：
函数信号发生器的设计
二、 摘要：
采用运算放大器组成的积分电路产生比较理想的方波-三角波，根据所需振荡频率和对方波前后沿陡度、方波和三角波幅度的要求，选择运放、稳压管、限流电阻和电容。三角波-正弦波转换电路利用差分放大器传输特性曲线的非线性实现，选取合适的滑动变阻器来调节三角波的幅度和电路的对称性，同时利用隔直电容、滤波电容来改善输出正弦波的波形。
关键词：方波 三角波 正弦波 频率可调 幅度
三、设计任务要求：
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1KHZ~10KHZ范围内连续可调；
2）方波输出电压Vopp=12V(误差<20%)，上升、下降沿小于10μs；
3）三角波输出信号电压Vopp=8V(误差<20%)；
4）正弦波信号输出电压Vopp≥1V，无明显失真。
2． 提高要求：
1）三种波形输出峰峰值Vopp均在1~10V范围内连续可调；
2）将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可调范围30%~70%
四、设计思路
1. 结构框图

实验设计函数发生器实现方波、三角波和正弦波的输出，其可采用电路图有多种。此次实验采用迟滞比较器生成方波，RC积分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。除保证良好波形输出外，还须实现频率、幅度、占空比的调节，即须在基本电路基础上进行改良。
由比较器与积分器组成的方波三角波发生器，比较器输出的方波信号经积分器生成三角波，再经由差分放大器生成正弦波信号。其中方波三角波生成电路为基本电路，添加电位器调节使其频率幅度改变；正弦波生成电路采用差分放大器，第一个电路是由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路。单限比较器输出的方波经积分器得到三角波；第二个电路是由差分放大器组成的三角波—正弦波变换电路。
考虑到差分放大器的工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等特点。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，波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性。传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
2． 系统的组成框图

电源电路
方波-三角波发生电路
正弦波发生电路
方波输出
三角波输出

正弦波输出

五、分块电路与总体电路的设计
1．方波—三角波产生电路

1）设计过程：
①根据所需振荡频率的高低和前后沿陡度的要求，选择合适的运算放大器。
方波要求上升、下降沿小于10us，峰峰值为12V。LM741转换速率为0.7V/us，上升下降沿为17us，大于要求值。而LM318转换速率为70V/us，上升下降沿为0.17us，满足要求。故产生方波的比较器用LM318，产生三角波的反相发生器用LM741。
②根据输出方波幅度要求，选择合适的稳压管D1、D2和限流电阻R4的大小。
输出方波幅度要求为12V，所以选用稳压值为6V的稳压管。R4作用为限流，选择阻值2kΩ。
③根据输出三角波的幅度要求，确定R2与R3的大小。
方波经积分得到三角波，幅度为，要求中三角波峰峰值为8V，，所以R2和R3的比值为2：3，故选取R2为20kΩ，R3为30kΩ，平衡电阻，使生成的三角波峰峰值为18V（以确保后级正弦波输出Vopp最大值能达到10V）。实际输出的三角波幅值通过电位器即可实现0V~18V连续调节，调整到适当阻值即可实现输出的Vopp=8V。
④根据所要求的振荡频率确定R7和的大小。
方波和三角波的振荡频率相同，为，此处选择C1为150pF，R7为4.7kΩ。R8为平衡电阻，应与R7一致故为4.7kΩ。
2）其原理如下图：

3） 仿真结果：

2．三角波—正弦波转换电路

1）设计过程：
①根据静态工作点确定镜像电流源参数。
静态工作点：Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2IbIc4=Ic3,Ic4=Ic3=(Ucc+Uee-Ube)/( R17+ R16)我们取 R17=1K，R16 =1KΩ。两管输入对称，故R15 =R16 =1KΩ。
②确定隔直电容和滤波电容参数值。
电容 C3、C4为隔直电容，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，实验中取值33uF。C5为滤波电容，滤除谐波分量，改善正弦波形，取值10nF。
③根据输出正弦波的幅度要求，确定差分放大器的参数。
R23调节三角波的幅度，可调范围应该比较大，故取R23=100kΩ。R10与R18为平衡电阻，取值为R10= R18=1kΩ。差分放大器传输特性曲线特性越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度应正好使晶体管接近截止区R14用来调整电路的对称性，不能取太大，选取总阻值为100Ω的电位器。并联电阻R13用来减小差分放大器传输特性曲线的线性区，取10Ω。为满足其正弦波的幅度大于1V（拓展要求达到10V），取R12= R11=1kΩ，使得电流流经它们的电压降不至于很大。
2）三角波-正弦波变换原理：

3）仿真结果：

3. 总体电路

六、所实现的功能说明
1、已实现功能
基本功能：
1）输出频率能在1KHZ~10KHZ范围内连续可调；
2）方波输出电压Vopp=12V(误差<20%)，上升、下降沿小于10μs；
3）三角波输出信号电压Vopp=8V(误差<20%)；
4）正弦波信号输出电压Vopp≥1V，无明显失真。
提高要求：
5）三种波形输出峰峰值Vopp均在1~10V范围内连续可调；
6）将输出方波改为占空比可调的矩形波，占空比可调范围30%~70%
* 在频率为10KHZ时输出正弦波峰峰值最大约9.6V
2、 主要测试数据
1) .方波和三角波峰峰值

（见下页）

Vopp方波=12.04V（上升下降沿小于10μs） Vopp三角波=7.96V

2) .正弦波峰峰值

Vopp正弦波=10.4V（1KHZ附近）
3) .频率范围

频率范围约800HZ~12KHZ

4) .占空比范围

占空比范围约20%~80%

5) .Vopp范围

方波：0V~12V 三角波：0V~18V 正弦波：0V~10.4V

3、必要测试方法
1).逐级搭建与调试
每一级搭建完成后，先进行调试确定性能无误后再开始搭建下一级，并重复此过程。
2) .静态工作测量和调整
对于差动放大器，该电路需进行静态调整。
第一：通过调节R14调节电路的对称性。理想的差动放大器静态时应是输入为零时输出也为零，即当Q1与Q2的两个基极电位差为零时，Q1与Q2的两个集电极的电位差也应为零。但是由于电路的参数不可能完全对称，因此会出现两个基极电位差为零时两个集电极的电位差不为零的情况，所以需通过条令电位器R14进行静态调零，使电路输入为零时输出也为零。具体调节方法可采取用万用表或示波器进行调零监测。
第二：通过调节恒流源改变电路的静态工作电流。差动电路中Q1与Q2的静态工作电流由恒流源偏置电路决定，可以改变恒流源偏置电路中的电阻来改变各个晶体管的静态工作电流。此些完成后便需对电路中各个晶体管进行调试，测得各个晶体管的静态工作点。
七、故障及问题分析
1. 在方波—三角波产生电路调试中，示波器显示的波形失真且出现直流偏置，经过多次排查尝试，发现稳压管2DW232管脚接错，更正后波形方波和三角波波形输出正常。
2.在方波—三角波产生电路调试中，频率最大值总是达不到10KHZ（8KHZ左右），根据，将C1电容由原设计中的330pF减小到150pF，频率调整范围达到要求。
3. 在正弦波产生电路调试中，差分放大器线性区短则正弦幅度不够大，线性区长则输出波形趋于三角波，综合考虑两者，将原设计中反馈电阻R13由原设计的100Ω更改为10Ω，使得输出波形更趋于正弦波。
4. 最后将滤波电容更改为10nF，使得输出的正弦波波形更佳。
八、总结及结论
通过本次实验，我对于模电中的很多知识点，尤其是运算放大电路和差分放大电路有了更好的掌握，学习了如何设计电路，如何搭建电路，并且进一步熟悉了面包板以及示波器等实验器材的使用。
总的来说，充分理解实验原理是做好一个实验的最重要的一环，如果不理解电路的原理，就不知道如何去更改参数，去调试电路板，除了原理，还要了解各个器件的特性和用法，比如电源线和地线的连线的方式。
另外，这次实验培养了我们动手能力。在搭建电路板的时候，需要细心耐心，布局以及连线都很有讲究，不仅要求电路的通畅，还要注意电路板上各个元器件的布局，还有所使用的导线的颜色以及长度，通过这次实验锻炼我们的电路版的搭建能力。同时，本次实验考验着我们的耐心和细心程度，在出不了波形的时候，要戒骄戒躁，耐心细心的去寻找，去排查，去测试。
经过几周的努力拼搏，自己的实操技能有了很大的提高，对于之后完成更加复杂的项目增强了信心。最后，感谢廖老师对实验的悉心讲解和指导。
九、 Multisim仿真原理图、波形图
1、仿真原理图

2、 主要输出波形图

3.其他参数测试
1).上升下降沿（小于10μ秒）

2).频率可调范围（1kHz~10kHz）

仿真可得频率可调范围为（0.15kHz~10kHz）
3).占空比调整范围（30%~70%）

仿真可得占空比可调范围为（20%~80%）
4).峰峰值调整范围（1V~10V）

仿真可得：方波峰峰值调整范围0V~12.4V ；三角波峰峰值调整范围0V~17.6V；正弦波峰峰值调整范围0V~10.6V
十、所用元器件及测试仪表清单
1.元器件清单和电容电阻参数

2.LM318参数
3.UA741参数

4.测试仪器
模拟示波器，直流电源。
十一、参考文献
[1]刘宝玲主编. 电子电路基础. 高等教育出版社
[2]陈凌霄主编 电子测量与电子电路实验教程. 北京邮电大学出版社

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