函数信号发生器的设计电路.doc

北 华 航 天 工 业 学 院

《 电子技术 》

课程设计报告

报告题目： 信号发生器设计电路
作

设计一个能产生方波、三角波、正弦波的函数发生器，要求如下：

1．输出波形频率范围为20Hz～20kHz且连续可调；
2．正弦波幅值为0~5V之间可调，失真度小于2%；
3．方波幅值为0~12V之间可调；
4．三角波峰值为0~5V之间可调。

工作内容及时间进度安排
第13周：
周1---周3 ：立题、论证方案设计
周4---周5 ：预答辩
第14周：
周1---周3 ：仿真实验
周4---周5 ：验收答辩
课程设计成果
1．与设计内容对应的软件程序
2．课程设计总结报告

内 容 摘 要
本方案主要用集成运放LM324和UA741等元器件设计组成一个简易函数信号发生器。该函数信号发生器主要由迟滞比较器、积分器电路、二阶RC有源低通滤波器电路等三部份组成。
迟滞比较器电路形成方波，经积分器电路输出三角波，再经二阶RC有源低通滤波器电路形成正弦波，通过电源实现1~12V可调，经过电位器实现频率调节。由此构成了一个简易的函数信号发生器。
本实验主要通过使用Multisim、protel软件等完成电路的软件设计。

关键字：集成运放 方波 三角波 正弦波
目 录
一、 概 述 ……… ……………………………………………………… 1
二、方案设计与论证………………………………………………………………2
1．方案一……………………………………………………………………2
2．方案二………………………………………………………………………2
三、单元电路设计与分析…………………………………………………………2
1．迟滞比较器 3
2．积分器………………………………………………………… 3
3．低通滤波器…………………………………………………………………3
四、总原理图及元器件清单………………………………………………… … 4
五、结论………………………………………………………………………… 6
六、心得体会…………………………………………………………………… 6
七、参考文献…………………………………………………………………… 6

一、概述
通过集成运放构成迟滞比较器、积分器和低通滤波电路，依次分别输出方波、三角波、正弦波。通过调节电压源或滑动变阻器，可改变波形的幅值和频率。
二、方案设计与论证
函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—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

1．方案一
采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、二阶低通滤波电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。该方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。
2．方案二
采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、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300kHz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。
uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波。
综上所述，本课题选用方案一。

三、总原理图及元器件清单
1．总原理图
多波形信号发生器方框图如下图所示：
比较器
积分器
低通滤波器

总原理图如下所示

本课题采用由集成运算放大器组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。并采用先产生方波—三角波，再将方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—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，方波到正弦波的变换电路主要由低通滤波电路来完成。

2.各组成部分的工作原理
2.1 方波发生电路
从一般原理来分析,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．通过调节电位器来调节频率范围。通过电压源来控制幅值。
方波发生电路仿真电路模型如图所示：

方波发生电路仿真模拟
2.2三角波发生电路
在产生方波之后，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，电容构成积分电路。它的幅值可通过调节Rp1来调节，频率可通过调节两个电位器进行调节。
三角波发生电路原理图

　三角波发生电路仿真模拟　

2.3　正弦波发生电路
　 正弦波电路是由二阶低通滤波构成的，是由方波经低通滤波电路滤掉高次谐波分量，剩下基波分量，即一个和方波频率相同的正弦波，滤波电路中有同相比例放大器是因为低通滤波之后波形幅值减小，需要一个放大电路来达到要求的幅值，这里可通过调节电位器来调节幅值和频率。
　　　正弦波发生电路产生的波形频率为：

f=1/2πRC

在Multisim 10.1中可得到图所示的波形

2.４方波---三角波转换电路的工作原理
图为方波-三角波转换电路，其中运算放大器用双运放器741－DIV

工作原理如下：
（1）若a点断开，运算发大器A1（左）与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，运放A2（右）与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1,则积分器的输出电压Uo2为

　当时，

当时，
（2）若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：
方波-三角波的频率f为：
由此可见积分器在输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如下图所示：

三角波的幅度为：
方波-三角波的频率f为：
由以上两式可以得到以下结论：
1. 电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用C1改变频率的范围，Rp2实现频率微调。
2. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。
(3)参数的选择
1）幅度的选择
由于方波的幅值由电压源决定，为了得到12V的电压，输入电压为12V的双电源，调节电压可调节方波的幅值范围。由于三角波的幅值与方波幅值的关系可知调节电压源也可改变三角波的范围，同时电位器Rp1也可以实现幅度微调。
2）频率的选择
由频率公式可知，频率可通过调节电位器Rp1和Rp2来改变。通过实验可知，得到20kHz的频率比较困难，两个电位器选择了100k欧，R3为22k欧，R4为5.6k欧姆，R2选用了10k欧。理论上通过计算可得到5.5kHz,但是实际上只达到了近5k欧，出现了误差，这可能是由各个元器件存在误差导致的。
改进思路是：如果要达到更大范围，需改变R3和R4，可是改变一个R3或R4值就会影响到整体的频率范围.，可实施性不强。只好通过电位器改变，100k欧已经算比较大的电阻了，所以，只能考虑串联两个100k的电位器。在Rp1和Rp2后分别再串联一个相同的电位器，就可能实现更大范围的频率要求。
2.5方波—正弦波转换原理
方波是由一个和其频率相同的正弦波和许许多多高频谐波合成后得到的，方波越理想化，其高频谐波分量越多，傅里叶变换简而言之就是:任意一个信号可以用多个正弦波表示，将方波表达式用傅里叶级数展开，得到各个奇次谐波分量如下：

让二阶低通滤波器的截止频率低于三次谐波频率即可，由上式可知，三次谐波的频率等于基波频率的三倍，由于本课题要求达到的最低频率为20Hz，但实际上为40Hz左右，则让低通滤波器的截止频率等于100Hz即可。此二阶低通滤波电路的截止频率为：
f=1/2πRC
所以在设计低通滤波电路时选择了10k欧的电阻和100nF的电容，其中同相比例放大器稳定工作的条件为
A=1+R8|R9<3
所以分别选择了15k和10k欧的电阻。
四．总原理图及元器件清单
1.总原理图

总仿真图：

2.元器件清单
双踪示波器
1台
运放741-DIV
2片
电位器100KΩ
2只
电容100nF
3只
电阻22kΩ
3只
电阻10KΩ
3只
电阻6.8kΩ
2只
LM324
1只
稳压二极管
2只

五、结论
本课题根据设计中要实现的功能，经过自己认真地分析、实践，确立方案，书写文档，设计出电路，在设计过程中翻阅了大量资料，通过对所得的各种资料的综合分析，提炼出自己需要的信息，从而提高自己的分析能力；通过对主要技术指标的分析，认真体会了设计时的各项技术政策；通过对设计时出现的各种问题的分析与解决，锻炼了独立分析，进行工程设计的能力；通过对电路设计中的某些问题的较为深入的探索，培养了自己的科研工作能力；通过设计论文的书写，进一步锻炼了绘图技巧，文字表达能力和对工作的认真态度。
当然，在设计中遇到了一些实际困难，通过本人及同组同学多次查找参考资料，以及指导老师的悉心讲解，终于豁然开朗；通过这次设计不仅巩固了本专业的知识，加深了对课本知识的理解，为本人在这一学期所学专业知识做了一个系统的把握。
六．心得体会
本次课设比我想象的收获要大，这是我结束课设最大的体会，从开始对课设题目的了解并逐步分析原理，进行仿真调试，焊接等一系列步骤下来，每一步都比想象的要难，原理是比较容易了解的，但是将原理图仿真出来这就需要解决很多问题，元器件的参数等都会对结果有一定的影响，而当我们在面包板进行调试的时候才发现仿真才只是个开始而已。在调试遇到问题最头疼的事是运放741总是过热甚至烧毁，这也是焊接后最大的问题，直到焊接了两遍，终于找到了问题的所在。实际上，这次课设我个人认为以动手和书本上的知识结合着进行学习，不仅能够学好，最重要的是学得更深！更广！而且，积极性是我意识到最重要的，积极性会得到很大方幅度的提高！这起码是我深有体会的！总之而言，这次课设的结果是满意的！

教师评语及设计成绩

评 语

课程设计成绩：

指导教师：

日期： 年 月 日