函数信号发生器-模电课程设计报告

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信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、方波、正弦波的电路。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。本设计通过对信号发生器的原理以及构成进行分析，设计了正弦波—方波—三角波简易信号发生器。设计中首先确定了电路方案：由直流稳压电源电路、文氏振荡器、迟滞比较器、积分器组成；接着对各单元电路的的工作原理进行了分析，由直流稳压电源电路提供所需电压，文氏振荡器产生正弦波，迟滞比较器产生方波，积分器产生三角波，同时对电路中各元器件的参数进行了计算。最后利用相关仪器进行测试，测试达到了设计要求。

信号发生器实现的方法通常有以下几种：

（1）可以由晶体管、运放等通用器件制作，更多的则是用专门的信号发生器

IC产生。早期的信号发生器IC，如ICL8038、BA205等，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

（2）用分立元件组成的简易信号发生器：价格比芯片实惠，结构简单，容易实现。

由分析选择方案（2）。

简易信号发生器电路组成框图如图2.1所示。正弦波振荡电路产生正弦波，比较器电路产生方波，积分电路产生三角波。

图1.1 简易信号发生器电路组成框图（见51hei附件）

根据图2.1分析，由放大电路、负反馈网络、选频网络、稳幅环节组成的正弦波振荡电路当达到起振条件，即AF>1时产生正弦波，同时用稳幅二极管来维持输出电压幅度的稳定，正弦波振荡电路的输出端作为电压比较器的反相输入端，同相输入端接参考电压UREF，通过输入电压与上下门限电压的比较，使比较器发生反转，产生方波，比较器的输出端作为积分器的反相输入端，电容与积分器运算放大器的反向输入端与输出端相连接，输出与输出成积分关系，且输出电压uo与输入电压ui反相，输出三角波。

下图1.1.1所示为实用的RC桥式振荡电路

  实用RC桥式振荡电路

文氏电桥振荡器：fo=1/2πRC；正反馈电路：RC串并选频网络决定RC振荡器的振荡频率fo。负反馈电路：Ra和Rb决定起振条件，调节波形与稳幅控制。Rb并联D1.D2：正向非线性电阻起振时：电阻大负反馈小；振荡幅值大时：电阻小负反馈大，整形限幅。图中二极管D1，D2用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。起振时，由Uo很小，D1,D2接近于开路，R3,D1,D2并联电路的等效电阻近似等于R3，此时|Au|=1+（R2+R3）/R1>3,电路产生振荡。随着U0的增大，D1,D2导通，D1,D2，R3并联电路的等效电阻减小，|Au|随之下降，使|Au|=3，U0幅度趋于稳定。Rp可用来调节输出电压的波形和幅度。为了保证起振，由R2+R3>2R1，可得R2的值必须满足R2>2R1-R3。也就是说，R2过小，电路有可能停振。调节使R2略大于2R1-R3,起振后的振荡幅度较小，但输出波形比较好。调节使R2增大，输出电压的幅度增大，但输出电压波形失真也增大，当R2增大到R2>>2R1时，使得无论二极管D1,D2是否导通，电路均满足|Au|>3,D1,D2失去了自动稳压作用，此时振荡将会产生严重的限幅失真，所以为了使输出电压波形不产生严重的失真，要求R2值必须小于2R1.由此可见，为了使电路容易起振，又不产生严重的波形失真，应调节R2满足：2R1>R2>(2R1-R3)。

由运算放大器B、R6、R8、R7、D3和D4组成的迟滞比较器与如图所示。

由波形图可以看出，在比较器没有翻转之前，v0为一常数（设v0=+Vz）。v0通过R对C充电，vc由-R1* Vz /R1+R2逐渐上升，随着vc的增大，R两端的电压将逐渐下降，故充电电流ic也将不断减小，使vc上升速度减慢，从而使vc形成了典型的RC电路的充放电波形（按指数规律变化）。这样的vc由于线性度非常差，显然不能当作三角波使用。改进vc线性度的有效方法，是在充放电过程中保持ic的恒定，即对电容C恒流充放电。使ic恒定的办法有多种，其实质都是利用BJT或FET的恒流特性，再引入电流负反馈而形成的恒流源电路。

由积分器和耦合电容组成的三角波，方波发生器电路如图。在一般使用情况下，V01和V02都接地。只有在方波的空占比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V⊕1和V02的大小和方向加以调整。

如图所示，简易函数发生器电路图输出波形次序为正弦波、方波和三角波，调节R1、R2的大小可得出电路的震荡频率为：

fo=1/2πRC；

可调频率范围为：100Hz-1KHz,1KHz-10KHz；

产生的正弦波U0的峰

产生的正弦波经过过零比较器产生方波再由10V的稳压管使输出的方波U1的峰峰值为Vp-p=Uz=10V。稳压后产生的方波经过积分器作用产生三角波。

如上图电路图所示，要使正弦波发生器能够满足自激振荡的振幅和相位条件，产生自激振荡。所以要保证电路起振，则  |Au|=1+（R2+R3）/R1>3，即R2+R3>2R1,又因为固定电阻R3、R4的阻值分别为2.7K和5.1K，所以需将R2的阻值调到大于8.1K。调试时将R1的阻值调到了8.4K，保证了电路的自激起振条件使电路能够自激起振。电路自激起振后，再调节R4、R5。

将各元器件正确焊接到电路板上并进行调试。调节R2的阻值为8.4K欧使电路产生自激振荡，调节R4、R5的组值得到符合技术指标要求频率的正弦波U0,接着调节R6使正弦波U0的峰峰值Vp-p=5.6V。产生正弦波后，使输入的正弦波U0经过过迟滞较器，并在10V的稳压管的作用下产生符合技术指标要求的方波其峰峰值为Vp-p=10V。产生的方波经过积分器产生三角波。

三个波形如下，存在一定失真。

正弦波整体良好，在局部上有轻微失真，应该是电路焊接的问题。

三角波底部出现失真，应该是前一个矩形波顶部失真造成的。

   

（2）LM324N集成运算放大器   3个

（3）10V的1N4697稳压二极管  2个   

（4）二极管1N4007   2个

8K和1M 2个，20K 4个。

这次我们组做的的课程设计课题是简易函数发生器设计，这次的课程设计过程基本上都有自己的参与，特别是在确定电路方案的问题上，和同学讨论了几种不同的方案。但是有些方案经过电路的仿真却发现不可行，经过试验几种不同方案后，终于确定了先产生正弦波、接着产生方波最后产生三角波的方案。通过这套方案确定了电路原理图和PCB连接图，随着方案的确定，之后的思路也有了明确的方向。尽管有了方向，但是之后的困难也才刚刚开始。在制作PCB时，发现一定要有细心、耐心和恒心才能做好事情，首先是线的布局上既要美观又要实用和走线简单，兼顾到方方面面去考虑是很需要的，否则只是一纸空话。比如在做PCB板时，因为缺乏经验把板上的线画得太细了，又因为把PCB板浸在三氯化铁里浸得太久导致PCB板上的铜几乎全都溶解了。对此感到非常的伤心，也非常的心灰意冷，花了自己这么多心血的作品就这样付之一炬了，但是也从中吸取了丰富的经验和教训，在做任何一件事情时，不要因为快完成了而不去重视它，有时候一点小小的问题也会带来巨大的损失。要想做好一件事情必须统筹兼顾，不可重视一方面而忽略另一方面。PCB板后来又重新做了一块。重做之前自己仔细的总结了上次的优点和缺点以便再次做时能利用优点和避免上次的缺点。经过努力终于把PCB板做好了，并且也调试好了。看着自己亲手完成的作品又是那样的开心。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。设计确实有些辛苦，但苦中也有乐，在如今单一的理论学习中，很少有机会能有实践的机会。设计是一个团队的任务，一起的设计可以让我们相互帮助，配合默契。我感觉我和同学们之间的距离更加近了。

此次课程设计，学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。我想说，确实很累，但当我们看到自己所做的成果时，心中也不免产生兴奋。也许有人不喜欢这类的工作，也许有人认为设计的工作有些枯燥，但我们认为无论干什么，只要人生活的有意义就可。+于是我们决定沿着自己的路，执着的走下去。一定要相信自己能够做到，并且一定能够做好。

【1】胡宴如，耿苏燕主编。模拟电子技术（第三版）。北京：高等教育出版社，2008

【2】浙江大学电工电子基础教学中心电子学组，蔡忠法等主编。电子技术实验与课程设计。杭州：浙江大学出版社，2003

【3】彭介华主编。电子技术课程设计指导。北京：高等教育出版社

【4】谢自美主编。电子线路设计●实验●测试。华中科技大学出版社

【5】陆秀令主编。模拟电子技术基础。