简单信号发生器毕业设计

西北大学职业技术学院
毕业设计（论文）
题目：方波-三角波-正弦波信号发生器
姓名：
学号：
专业班级：电子信息工程技术
指导老师：
2011 年5月14日
目录
目录 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 2 【摘要】 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3 【简介】 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3 【关键词】 --------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 【正文】 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 4 1设计原理框图---------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 2设计方案---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1起振电路（正弦波发生电路）的设计 -------------------------------------------------------------- 4 2方波产生电路的设计 ------------------------------------------------------------------------------------ 7 3三角波发生电路设计 ------------------------------------------------------------------------------------ 8 4幅度调电路------------------------------------------------------------------------------------------------- 9 5总电路图--------------------------------------------------------------------------------------------------- 10 3仿真电路及仿真过程 ----------------------------------------------------------------------------------------- 10 4安装及调试------------------------------------------------------------------------------------------------------ 14 5实验数据--------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19 6误差及改进方法------------------------------------------------------------------------------------------------ 19 7总结 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 19 参考资料： -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 20 附录1：电路元器件 -------------------------------------------------------------------------------------------- 21 附录2：电路仿真原理图 -------------------------------------------------------------------------------------- 22
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

函数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。

例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。

在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

【简介】
这次主要是设计简易信号发生器，运用简单元器件构建信号发生器，主要由运放电路构成，分为正弦波信号生成，矩形波信号生成，三角波信号生成和阻抗转换电路。

要求能够对输出信号频率、输出波形的电压可调。

【关键词】
信号发生器，运放电路，频率，电压幅度，可调，阻抗匹配
1设计原理框图
2设计方案
1起振电路（正弦波发生电路）的设计
利用文氏桥电路作为起振电路，不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节，能够克服RC移相振荡器的缺点。

Ω
Ω_LIN
50%
图1
频率较高的情况下，（1/ωC）<R，前者等效于一节超前型移相电路，后者等效于一节滞后型移相电路。

显然频率从低到高连续变化，相移从+90°到-90°连续
变化，其中必存在一个中间频率f0，使RC串并联网络的相移为零。

于是满足相位平衡条件。

对此，可进一步作定量分析，由图得：
为调节频率方便，通常取R1 = R2 = R，C1 = C2 = C，如果令ω0＝1/ RC，则上式简化为：
图2：Rc串并联网络的等效电路图3：Rc串并联网络的频率特性
可见，RC串并联反馈网络的反馈系数是频率的函数。

由式
可画出的幅频和相频特性，如图3所示。

由图可以看出：
当时，的模最大，且|| = 1/3 ，φF＝0；当f大于f0时，||都减小，且φF≠0 。

这就表明RC串并联网络具有选频特性。

因此图Z0820电路满足振荡的相位平衡条件。

如果同时满足振荡的幅度平衡条件，就
可产生自激振荡。

振荡频率为：
一般两级阻容耦合放大器的电压增益A u远大于3，如果利用晶体管的非线性兼作稳幅环节，放大器件的工作范围将超出线性区，使振荡波形产生严重失真。

为了改善振荡波形，实用电路中常引进负反馈作稳幅环节。

图1中电阻R f和R e引入电压串联深度负反馈。

这不仅使波形改善、稳定性提高，还使电路的输入电阻增加和输出电阻减小，同时减小了放大电路对选频网络的影响，增强了振荡电路的负载能力。

通常R f用负温度系数的热敏电阻（R t）代替，能自动稳定增益。

假如某原因使振荡输出U o增大，R f上的电流增大而温度升高，阻值R f减小，使负反馈增强，放大器的增益下降，从而起到稳幅的作用。

从图1可以看出，RC串并联网络和R1、R2，正好组成四臂电桥，放大电路输入端和输出端分别接到电桥的两对角线上，因此称为文氏电桥振荡器。

目前广泛采用集成运算放大器放大电路来构成RC桥式振荡器。

图4
文氏电桥振荡器的优点是：不仅振荡较稳定，波形良好，而且振荡频率在较宽的范围内能方便地连续调节。

2方波产生电路的设计
电压比较器是一种常用的模拟信号处理电路。

它将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。

比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。

在自动控制及自动测量系统中，常常将比较器应用于越限报警、模／数转换以及各种非正弦波的产生和变换等等。

比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是数字量1或0，因此，可以认为比较器是模拟电路和数字电路的“接口”。

由于比较器的输出只有高电平或低电平两种状态，所以其中的集成运放常常工作在非线性区。

从电路结构来看，运放经常处于开环状态，使用时为了使输入、输出特性在状态转换时更加快速，以提高比较精度，也在电路中引入正反馈。

常用的电压比较器有：单限比较器、滞回比较器以及窗口比较器等。

单限比较器是指只有一个门限电平的电压比较器，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。

单限比较器可用于检测输入的模拟信号是否达到某一给定的电平。

单限电压比较器的作用是用来比较输入电压和参考电压，图3-35(a)是其中一种。

U R是参考电压，加在同相输入端，输入电压u i加在反相输入端。

运算放大器工作于开环状态，由于开环电压放大倍数很高，即使输入端只有一个非常微小的差值信号，也会使输出电压饱和。

因比，用作比较器时，运算放大器工作在饱和区，即非线性区。

当u i＜U R时，u o＝+U O(SAT)；当u i＞U R时，u o＝-U O(sat)，图3-35(b)是电压比较器的传输特性。

可见，在比较器的输入端进行模拟信号大小的比较，在输出端则以高电平或低电平(即为数字信号“1”或“0”)来反映比较结果。

图5：过零比较器
图6
当U R＝0时，即输入电压和零电平比较，称为过零比较器，其电路和传输特性如图:5所示。

当u i为正弦波电压时，则u o为矩形波电压，如图6所示。

单限比较器有两个不足：1当运放开环放大倍数不是非常大时，高低电平转换部分陡度减小。

2抗干扰能力差。

实验设计电路时，采用单限比较器是实验出现很多误差，甚至因为走线的不合理，出现严重的重叠干扰现象。

3三角波发生电路设计
在方波电路输出后加上反向积分器，就组成了三角波的发生电路。

500KΩ_LIN
50%
Key = H
积分电路中电路输入矩形脉冲信号加在电阻器上，经过电阻器后再在电容器上输出三角脉冲信号。

这个电路也可以这样理解：在电阻器和电容器串联电路上输入矩形脉冲信号，用示波器查看电路波形，在电阻器前面会是矩形脉冲信号，在电容器前面会是三角脉冲信号。

这主要利用电容器储能充电的特性将电路中矩形脉冲信号转变成三角脉冲信号输送到下一级电路中。

三角脉冲波比矩形脉冲波相对来说比较平稳，矩形波是明显一起一落，三角波虽然有起伏，但起伏变化没有矩形那么快，这样看来积分电路就和滤波电容的性质差不多了。

对积分电路原理分析过程要根据输入脉冲信号在前沿阶段、平顶阶段和后沿阶段等几种情况来进行：
1、当输入信号矩形脉冲还没有出现时，输入信号电压为零，所以输出信号电压也为零。

2、当输入信号矩形脉冲出现时，输入信号通过电阻对电容进行充电。

由于电容内部刚开始没有电荷，所以电容会呈短路状态，也就是刚开始电容所承受的电压为零，输出信号电压也为零。

3、当输入信号矩形脉冲出现后，随着电容充电电荷不断地增加，电容所承受电压也在不断升高，输出信号电压也会随之升高。

流过电容的电流近似与输入脉冲信号电压大小成正比，所以输出信号电压大小近似与输入信号电压的积分正比，积分电路由此而得名。

4、当输入信号矩形脉冲消失时，电阻器的电压会突变为零，电容器就会对电阻器放电。

输出电路的电压就是电容放电电压，随着放电的进行，电容的电压越来越低，输出电路的电压也随之越来越低。

5、当输入信号矩形脉冲消失后，由于积分电路要求时间常数远远大于脉冲宽度，所以放电速度比较慢，在电容还没有放完电时下一个脉冲信号就又到来。

电容因为刚刚放了电而电压低于输入信号电压，这时电容又开始充电，随着充电的进行电容的电压越来越大，输出电压也就越来大。

如此反复，一个脉冲又一个脉冲地循环。

4幅度调电路
幅度调节是利用电位器来调节，也可以利用电压跟随器来调节，同时也可以利用电压跟随器来改变输出阻抗。

在设计中用的是电位器来调节。

电压跟随器，顾名思义，就是输出电压与输入电压是相同的，就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。

输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。

Key = Z
_LIN Key = A
500K Ω_LIN Key = H
5%
16
5总电路图
3仿真电路及仿真过程
电路仿真采用Multisim9.0
NI Multisim 软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA 工具软件。

作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。

NI Multisim 计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。

可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表
（1）调节电阻R1，使电路起振。

（2）将R1进行回调，使得产生波形最大不失真
（3）同时调节R2，R3，可改变频率
（4）同时调节R6，可改变波形幅度
（4）方波
由于采用单限电压比较器，高低电平间有坡度
幅度变化+频率变化
（5）三角波
调节R4
4安装及调试
（1）按照电路原理图，组装起振电路
注意布局，尽量不走十字交叉线，741尽量按照电路布局来放置，注意直流负电源和正电源。

注意双联可调电阻的引脚；
（2）焊接好后，接入正负电源，地线，连接输出到示波器，调节双联电位器和R1，使电路起振，并且能达到最大不失真输出。

如果电路出现失调电压，在运放1,5引脚接入电位器，调整端接到负电源；
（3）继续组装第二部分-电压比较器。

直接将741正负电源引脚连接到第一个741上，在仿真时，可以不接R9，R12，但在实际电路中，会引入干扰，甚至出现畸形波形；
（4）焊接完后重复步骤2；
（5）继续第三部分积分电路，按照原理图，焊接；
（6）重复步骤2
焊接实物图正面
背面
电路调试效果图
调节电位器，使电路起振
回调电位器，出现最大不失真波形
此时频率
调节双联电位器，改变输出频率
矩形波，频率为469.43Hz
调节双联电位器，改变频率，频率为954.71Hz
三角波
用螺丝刀调节电位器，使电路出现最大不失真
5实验数据
6误差及改进方法
（1）实际电路中，单限电压比较器接地容易引入干扰，高低电平转换坡度大，使后续电路出现很大失真，应该采用电压滞回比较器减小失真。

（2）741的调零，在正弦波发生电路中，由于隔离电容存在，一般不接调整电位器，但在后续的电路中，出现了失调电压，所以要在741的1,5端接入电位器，进行调整。

（3）在实际焊接过程中，由于采用的是万用电路板，布线比较麻烦，出现交叉后容易引起干扰。

拆掉后尽量不交叉，波形得到改善。

（4）输出开关不能进行切换，输出阻抗不定。

采用电压跟随器可以进行阻抗匹配，只是在理论上作了解释，没在电路上实现。

7总结
（1）电路焊接中，面包板容易短路，把引脚接出来，再与元器件进行连接；（2）元器件之间的连线尽量不要交叉，输出信号线不能与其它信号线交叉，容易引起波形失真；
（3）万用电路板在焊接时，一定要按照原理图一步步焊接，在焊接时，容易造成错接、短路等。

参考资料：
模拟电子技术（第二版）李雅轩主编西安电子科技大学出版社2009 模拟电子技术基础（第三版）童诗白主编高等教育出版社2001 Multisim电路设计及仿真应用熊伟等主编清华大学出版社2007
电路分析基础（第三版）张永瑞主编西安电子科技大学出版社2009
附录1：电路元器件
数量描述参考标识封装Vendor Status Price
3 10K_LIN, 10K_LIN R1, R2, R3 Generic\LIN_POT
3 OPAMP, 741 U1, U2, U
4 Generic\DIP-8
1 500K_LIN,
500K_LIN
R4 Generic\LIN_POT
3 100K_LIN,
100K_LIN
R6, R7, R8 Generic\LIN_POT
1 RESISTOR,
2.0kOhm_5%
R10 Generic\RES0.25
3 CAPACITOR, 100nF C5, C6, C2 Generic\CAP4
4 RESISTOR,
10kOhm_5%
R5, R11,
R9, R12
Generic\RES0.25
1 CAP_ELECTROLIT,
10uF-POL
C1 Generic\ELKO10R5
附录2：电路仿真原理图
I N A
R 6
50。