函数波形发生器的设计

函数波形发生器

l 设计要求

函数波形发生器的基本要求：

（1）用运算放大器和分立元件实现，生成方波、三角波、矩形波；

（2）波形的幅值、频率可调。

本设计的函数波形发生器的基本指标：

1. 频率在10Hz到lkHz之间，以10倍频程步级进行变化，并产生幅值可调的方波和三角波。

2. 此处设计方波基准幅值为±5V、三角波基准幅值为±10V。

3. 本设计满足频率在特定的10倍频程连续可调，幅值在基准幅值的基础上连续可调的要求。

l 设计原理及框图

方波和三角波函数发生器的原理框图如下图所示：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7B3.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C4.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C5.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C6.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C7.tmp.png

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C8.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7C9.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CA.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CB.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CC.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CD.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CE.tmp.png

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7CF.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7D0.tmp.pngfile:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7D1.tmp.png

1、 方波产生电路

因为方波电压只有两种状态，不是高电平、就是低电平。所以电压比较器是它的重要组成部分。它由反相输入的电压滞回比较器和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、放电实现使输出状态自动地相互转换。

本设计的方波局部电路如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7E2.tmp.png

图1

方波的周期和频率计算：

T=2RCln(1+2R1/R2)         

f=1/T

幅值：Ut=R1/(R1+R2) *Uz

2、三角波发生电路

三角波电路波形可以通过积分电路实现，把方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到了三角波。

本设计的三角波发生基本电路如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7E3.tmp.png

图2

三角波周期和频率计算：

T=4*R1*R4*C/R2         

f=R2/(4*R1*R4*C)

三角波的幅值：

Ut=Uz*R1/R2

方波三角波的设计总电路图如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7F3.tmp.png

l 器件说明

1、元器件选择

1）集成单运放3554A  

电路所用的运放选用3554A,3554A的管脚图如图所示，其特点是电压适应范围较宽，可在±5～±18V范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为±15V和±30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外接电位器进行调零.

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7F4.tmp.png                                波形发生器用到得脚位为1.2.5.6.7

                                   脚位1：INV.OUTPUT

                                   脚位2：NON-INV.INPUT

                                   脚位7: V-

                                   脚位6：INPUT

                                   脚位2：V+

图2 3554AM管脚分布

2）稳压二极管1N4731A

双稳压二极管的稳定电压根据方波幅值选取，由设计要求可取5伏特的稳压二极管,本次试验采用的1N4731A稳压二极管。

3）电阻

电阻R4根据双稳压二极管的最大电流确定,此处可取10 kW，其他电阻分别有10K电阻，50K电阻和5K电阻。

4）电容

电容C根据振荡频率要求确定，本次实验采用的250nF和25nF两种电容。

5）由file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA7F5.tmp.png式,令R1=10KW,为达到所要求的频率,可求得二组值:

当频率为100HZ时,R2=20KW   R3=0KW  C=250nF

当频率为1000HZ时,R2=20KW   R3=0KW  C=25nF

l 设计过程

1、 方案对比

l 方案一：用分立元件组成的函数发生器，通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。

l 方案二：可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，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。

l 方案三：利用单片集成芯片的函数发生器，能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国马克西姆公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了上述方案二中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

l 方案四：利用专用直接数字合成ＤＤＳ芯片的函数发生器，能产生任意波形并达到很高的频率，但成本较高。

l 方案五：采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，会寄生一些高次谐波分量，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全滤除掉,且价格较高。                                                                 

l 方案六：采用AT89S51单片机和DAC0832数模转换器相结合的电路来产生波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少，适合学生毕业设计。

产生方波、三角波的方案有如上多种，本设计主要采用由电压滞回比较器和积分器同时产生方波和三角波。其中电压滞回比较器产生方波，对其输出波形进行一次积分产生三角波。该电路的优点是十分明显的：

1、线性良好、稳定性好；

2、频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且幅值改变时，频率恒定不变。

3、三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。

考虑到本设计频率较低，设计要求即为用分立元件及集成运放设计函数发生器，因此本设计运用方案一。

l 变量的设定

参数的计算为：方波接入示波器的D通道，三角波接入示波器的B通道。双向稳压二极管将比较器的输入电平稳定在+-5V，选用1N4731（4.3V），其方波输出电压为+-5V,可变电阻Rp3、Rp4用来改变电阻比值以改变方波和三角波的输出幅值。取R2=10K，则R1为20K，需要改变幅值时再使用可变电阻。f需要在10HZ到100HZ时电路中的电容C1有：因为f=R2/4RR1C,则R取Rs时频率达到最大，此时C1=250nf，f从100HZ到1KHZ时电路中的电容C2=25nf。

将A通道接三角波，取纵轴坐标为5V／Div．B通道为方波，取纵坐标为10V／Div。手动放置坐标线有微小误差。当Rp3、Rp4都取0 时，．可实现方波幅值为±5V．三角波幅值为±10V

l 仿真调试过程

在本次仿真中，我运用的是multisim 11.0。对于集成运放的选择，换取型号不同集成运放就会有完全不一样的效果。我深有印象就是在反相比例运算电路这一模块的仿真中，我分别用了不同的运放进行仿真。一次用的是运放741,一次用的是3554AM，但是运用741运放，则输出波形不稳定，频率稍微增高就严重失真，而运用3554AM就克服了这种现象而且效果很好。后来根据我的分析，才知道741运放的驱动要求较高，作为负载接入电路后，负载电阻较大，频率增大后放大电路不工作在放大区所致。而3554AM显然要优于741，接入电路后对电路的影响较小。

然而即使运用3554AM，在调节三角波的输出幅值的时候，幅值基本没有失真，但是在矩形波幅值输出时，随着频率的增大，矩形波的幅值会有不同程度的干扰，但是影响不大。

因此，我的处理方案是：用3554AM替换741运放，将基准方波、三角波和可调幅值的方波、三角波信号接入四踪示波器中，用一个四路开关控制各个信号，特别是同种波形的幅值调节前后的对比，可以确定出现较大波形失真的输出幅值的极限值，从而确定在本设计给定的条件下幅度输出范围。

l 仿真结果

Multisim 11的仿真结果如图：A通道为三角波，取纵轴坐标为5V／Div．B通道为方波，取纵坐标为10V／Div。手动放置坐标线有微小误差。当Rp3、Rp4都取0 时，．可实现方波幅值为±5V．三角波幅值为±10V。

接通电容C1，f的范围为10Hz～100Hz，调节Rp1可实现f的连续变化．由模拟示波器得仿真结果如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA806.tmp.png

图3

图3

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA807.tmp.png

图4

Rp1取0时，由上图5可见T2-T1约为100ms，则f=10HZ，党Rp1取最大值50K时，由图6可见T2-T1=10.287ms,实现了方波幅值为+-5V，三角波幅值为+-10V，且在10HZ——100HZ内连续可调。

接通电容C2，f的范围为100Hz～1KHz，调节Rp1可实现f的连续变化．由图7可见T=T2-T1约为1ms,即f=1KHz,当Rp1取最大值时f=100HZ和前面图5一致。由模拟示波器得仿真结果如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA808.tmp.png

图5

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA818.tmp.png

图6

l 数据处理及误差分析

仿真数据表

数据记录

l 检测值与标准值的误差分析

l 方波与矩形波的变换

本设计增加了反相比例运算电路，将本来受到稳压电路限制的方波幅值输入，输出即为连续可调的方波电压幅值。同理也应用于三角波的幅值调节。

反相比例运算电路如下：

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA83D.tmp.png

比例公式为：Uo=-R4/R8*Ui

如下即为连续调节R4时，三角波的幅值逐渐变化图像（其中，红色图像为基准三角波，绿色三角波为逐渐调幅后的波形）

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA83E.tmp.png

如下即为连续调节R7时，三角波的幅值逐渐变化图像（其中，蓝色图像为基准三角波，黄色三角波为逐渐调幅后的波形）

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA84E.tmp.png

l 收音机原理及焊接调试

1、 收音机原理图

file:///C:\Users\ADMINI~1\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsA85F.tmp.png

2、 收音机焊接

a.把收音机的电子元件先放进电路板中布局,想清楚电路的路线，减少电路出现的问题；

b．在焊接时注意集成运放的脚位，要对着来焊接，不能接错，在焊接电解电容的时候，要分清电解电容的正负；

c．按图接线,注意直流电源的正负及接地端，还有设立测试电路的五个输出点；

d．焊接完后，要检查电路，再重新看一次，检查虚焊，不连通等的现象。

3、 调试收音机

一台收音机若不经过调试，可能会出现许多问题。例如，不发声，声音嘈杂，声音小等诸多问题。经过一定的调试，便可以判断收音机的使用性能。

测量电流，电位器开关关掉，装上电池（注意正负极）用万用表50mA档，表笔跨接在电位器开关的两端（黑表笔接电池的负极、红表笔接开关的另一端）若电流指示小于10mA（这时A、B、C、D四个电流缺口均未连上，连上时的总静态电流为15-18mA）,则说明可以通电，将电位器开关打开（音量旋至最小即测量静态电流）用万用表分别测量D、C、B、A四个电流缺口，若被测量的数字在规定的参考阻值左右即可用烙铁将这四个缺口依次连通，再把音量开到最大，调双连拔盘即可收到电台，在安装电路板时应注意把喇叭及电池隐线埋在比较隐蔽的地方，并不要影响调谐拔盘的旋转和避开螺丝桩子，电路板挪位后再上螺丝钉固定。收音机的调试便完成。若还有什么问题进行相应调试即可.

l 设计拓展

考虑到函数发生器需要尽可能宽的频率带，本设计的10HZ-1KHZ频率范围还是相对较窄。但是本设计的优点就是可以适当增大或是减小积分电路的电容值，已达到改变频率的目的。因为电路的频率以10倍频程步级进行变化，所以只需要将电容外扩C3=2.5nf,C4=2500nf等等，就可以从里论仿真上使频率变化范围达到1HZ-10KHZ。但是考虑到由分立元件和集成运放构成的函数发生器输出频率不高，所以实际频率到不到10KHZ,需要进一步仿真测出最高频率上限。鉴于篇幅有限，本文在这里不做过多陈述。

l 设计体会及收获

通过这次对波形发生器的设计与仿真，让我了解了设计电路的流程，也让我了解了关于波形发生器的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真，仿真成功之后方可实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，在实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为元器件本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。

在这次电子实习中，我对焊接焊接收音机有着深刻的体会。虽然之前参加长通杯，也不是第一次接触焊接电路，但是我真正在焊接收音机的时候，麻烦还是困扰我好久。焊点是否完全接触，焊接是否正确，以及在焊接前对各个元件的检查，都是有着很巧妙地手法，然而这些经验的东西不是在在课堂上，不是老师在实验室一遍一遍的强调，我所能得来的。特别是在最后都焊接完毕的时候，接上电池，发现我的收音机没有任何反应，当时心都碎了，但是稍微镇定了一下，仔细查电路，仔细查原件是否有焊接问题。然而，当我把所有可能的问题都检查一遍以后，我才恍然大悟到，我竟然没有把ABCDE五个焊点用焊锡链接！问题发现后，轻松解决后，收音机发出了声音，收到了至少5个电台，这种感觉太美妙了。小小的成就感顿时油然而生，我在焊接收音机中感受到动手的快乐，体会到将知识转化为实际的美妙。

接下来的是函数波形发生器的软件仿真。鉴于函数波形发生器运用的知识大部分是模拟电子技术基础所学过的，一开始我觉得仿真的原理部分不是个大问题。但是，当真正开始运用multisim仿真的时候，效果没有一开始的认为的那么好。对于集成运放，换取型号不同集成运放就会有完全不一样的效果。我深有印象就是在反相比例运算电路这一模块的仿真中，我和张艺涵同学分别用了不同的运放。他用的是运放741,我用的是3554AM，但是运用741运放，则输出波形不稳定，频率稍微增高就严重失真，而运用3554AM就克服了这种现象而且效果很好。后来根据我和张艺涵的讨论和分析，才知道741运放的驱动要求较高，作为负载接入电路后，负载电阻较大，频率增大后放大电路不工作在放大区所致。而3554AM显然要优于741，接入电路后对电路的影响较小。

最后是书写报告论文部分，更是深有感触。科技类论文是有严谨清晰规范的特点的，之前我在做数学建模比赛的时候，就体会到科技论文不是语文作文，需要标准严谨的态度。

最重要的一点就是，本设计的论文在数据处理上，自我给出检验基准，运用仿真的数据进行误差分析与计算，用客观的性能指标检验了本设计达到了设计要求。

在这次实习过程中，让我了解要多思考、多比较和多尝试把所学的书本知识应用于实际，培养自己的动手能力。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作进行仿真才会有深刻理解。

l 参考文献

1、韩学军. 数字电子技术基础[M].北京：中国电力出版社

2、王义军.模拟电子技术基础[M].北京：中国电力出版社

3、童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社.

4、阎石. 数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社.

5、康华光.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社.

6、张庆双.电子元器件的选用与检测[M].机械工业出版社,2002

7、万方数据库

附总电路图：

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