多功能函数信号发生器

题目：简易波形发生器
组员：卢晓，苏观青，张彪，黄玉兰组号: 07号
指导老师：周锦荣
设计时间：2011年7月17日
摘要
本系统是利用芯片LM324构成的一个方波、三角波、正弦波发生器。

主要是以三角波的反馈信号作为参考电压，利用滞回比较器产生方波。

再以方波作为输入信号通过积分电路产生三角波。

而正弦波发生电路是以三角波信号为输入经过一阶低通滤波及可产生正弦波。

最后串一电压跟随器接负载电阻。

关键词：LM324，滞回比较器，低通滤波
目录
1系统设计 (4)
1.1 设计基本要求 (4)
1.2方案的比较 (4)
1.3实行方案 (4)
2单元电路设计 (5)
2.1方波发生电路模块 (5)
2.2三角波发生电路模块 (6)
2.3正弦波发生电路模块 (7)
3系统测试 (8)
3.1测试仪器 (8)
3.2测试步骤方法 (8)
3.3测试记录： (8)
4结论 (10)
5.参考文献 (10)
6附录 (11)
6.1元器件明细表 (11)
6.2电路原理图 (11)
1系统设计
1.1 设计基本要求
1.产生方波、三角波、正弦波和全波整流波；
2.电源输入:±9V ；
3.方波：Vpp≤14V；
4.三角波输出: Vpp≤8V；
5.正弦波: Vpp≥10V
6.方波、三角波和正弦波的输出频率为200Hz~ 5KHz；
7.在负载为2KΩ的条件下。

1.2方案的比较
方案一：
考虑到正弦波发生器是由RC自激振荡产生的，需要满足比较多的条件，并且要求频率大范围可调，那么要改变电阻和电容，且要使用两档的电容，同时，要满足两电阻和两电容绝对对称，所以比较难以实现不予以实行。

方案二：
由555电路构成，电路结构简单，且脉宽可以调制，但是只能产生方波，且一个电路只能构成一个输出。

考虑到后面还要产生三角波、正弦波，故不采用此方案。

1.3实行方案
此方案较电路简单，且必须满足的要求较少，只需要用意LM324即可实现，成本也较低，所以可行。

2单元电路设计
2.1方波发生电路模块
图1 方波发生电路图
2.1.1工作原理
图中端口Uo1输出方波，端口Uo2输出三角波。

运放UA与电阻、稳压二极管组成滞回比较器，当运放的同向端输入电压大于零时，运放输出幅值为+Uz的高电平；当同向端输入电压小于零时，运放输出幅值为-Uz的低电平，不断循环，在Uo1处便产生周期性的幅值为±Uz的方波.
2.1.2参数设置
根据要求使得方波Vpp≤14V, 取稳压管为6.2V正反接。

2.2三角波发生电路模块
图2 三角波发生电路图
2.2.1工作原理
图中端口Uo1输出方波，经过运放U1B 与电阻电容构成的积分电路，产生三角波。

当Uo1输出高电平时，电容充电，运放输出电压负方向线性增加，并反馈到滞回比较器的同向输入端，控制其输出端的状态跳变；当Uo1输出电压跳变到低电平时，电容放电，运放输出电压正方向线性增加，并反馈回去，从而在Uo2端得到周期性的频率与方波相同的三角波。

2.2.2参数设置
由于A U 相输入端的电压U+由Uo1和Uo2同时决定，根据叠加原理，得出A
U 的同相输入电位为o 2
121o 2
11u R R R u R R R u ++
+=
+
令-+U ＝　U
Z
2
1T U R
R U ⋅±
±＝则阈值电压　，
根据要求积分电路的输出电压表达式为
()
)(d 1
O O o1
1
93O2t u t u
C R R u ++-
=⎰
当 u+ = u- = 0 时，滞回比较器的输出发生跳变。

由于正向积分的起始值为T U -，终了值为T U +，积分时间为二分之一周期
())
(2
1
93T T Z U T U C
R R U -+⋅
+-
=+ 将
Z
2
1T U R R
U ⋅= 代入得
()21931/4R C R R R T +=
所以其工作频率为()19312o 4/f C R R R R +=
要使fo 在200 Hz ～5K Hz 范围内可调，先取定电阻R1和R2使输出三角波幅度达到规定值，可取R1=1K2，R2=1K5,C1=0.1uF ，得出R 3=470Ω，R 9=10K.由于稳压管本身的0.7V 电压，所以输出的方波幅度 Uo1=2Uz=13.8V.
2.3正弦波发生电路模块
图3 正弦波发生电路图
2.3.1工作原理
图中端口Uo2输出的三角波经运放UC 构成的低通滤波器产生正弦波。

由于三角波的
傅立叶展开公式：
)
5sin 25
13sin 9
1(sin 8)(2
⋯⋯++
-
=
t t t Um
t f ωωωπ
其中Um 是三角波的幅值。

根据上式可知，低通滤波器的通带截止频率应大于三角波的基波频率且小于三角波的三次谐波频率。

2.3.1参数设置
根据该电路的截止频率公式: ()2
105021
C R R f +=
π 本系统要求频率范围在
200 Hz ～5K Hz ，取截止频率为5.5K ，令C 2=0.1μF ，得R5=270Ω，R10=10K.要
求正弦波幅值Vpp ≥10V ，86
73U R R U O ⋅=
,取R 7=620Ω，R 6=1K.
3系统测试
3.1测试仪器
示波器，万用表，直流电源
3.2测试步骤方法
3.2.1方波——三角波电路的调试
(1) 接入电源，用示波器进行双踪观察； (2) 调节R11，使三角波的幅值满足指标要求； (3) 调节R9，微调波形的频率；
(4) 观察示波器，各指标达到要求后进行下一步调试。

3.2.2三角波——正弦波转换电路的调试
(1) 接入电源，用示波器进行双踪观察；
(2) 调节R10，使正弦波的幅值满足指标要求；
3.2.3 总电路的调试
（1）把两部分的电路接好，进行整体调试、观察；
（2）针对各阶段出现的问题，逐个排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值约为10V
3.3测试记录：
(1)方波测试波形
（2）三角波测试波形
（3）正弦波测试波行：
4结论
测试中：各波的频率范围360HZ～4.6kHZ，不能符合要求，根据表中可知方波幅值不满足要求，而三角波与正弦波幅值均符合要求。

5.参考文献
[1] 张华林，周小方编著．电子设计竞赛实训教程［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００７，７
[2] 清华大学电子学教研组编，华成英童诗白主编．模拟电子技术基础(第四版)［M］．北
京：高等教育出版社，2008.4
6附录6.1元器件明细表
6.2电路原理图。