函数信号发生器

1设计课题与要求
1.1函数信号发生器
函数信号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，使用的期间可以是分立器件（如：视频信号发生器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5G8038）。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本次课设要求设计正弦波－三角波－方波函数发生器
1.2指标要求
1、频率范围三段：10～100Hz ，100 Hz ～1KHz ，1 KHz ～10 KHz ；
2、正弦波Uopp ≈3V ，三角波Uopp ≈5V ，方波Uopp ≈14V ；
3、幅度连续可调，线性失真小；
2函数信号发生器的设计方案
2.1 方案
方案一：先产生正弦波，再由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。

RC 正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。

先通过RC 正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。

此电路具有良好的正弦波和方波信号。

但经过积分器电路产生的同步三角波信号，存在难度。

原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。

若要保持三角波幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。

方案二：先产生方波，再将方波变成三角波，再将三角波通过差分放大器产
方波发生电路的工作原理图
图2-1 方波发生电路
原理：
首先由555定时器组成的多谐振荡器产生方波，然后由积分电路将方波转化为三角波，最后用低通滤波器将方波转化为正弦波，但这样的输出将造成负载的输出正弦波波形变形，因为负载的变动将拉动波形的崎变。

利用555与外围元件构成多谐振荡器，来产生方波的原理。

用555定时器组成的多谐振荡器如图3所示。

接通电源后，电容C2被充电，当电容C2上端电压Vc升到2Vcc/3时使555第3脚V0为低电平，同时555内放电三极管T导通，此时电容C2通过R3、Rp放电，Vc下降。

当Vc下降到Vcc/3时，V0翻转为高电平。

电容器C2放电所需的时间为
t pL= ( R3 +Rp) C2ln2
(3-1) 当放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R3、Rp 向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为t pH= (R1+R3+ Rp) C2ln2=0.7( R1+R3+ Rp) C2
(3-2)
当Vc上升到2Vcc/3时，电路又翻转为低电平。

如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。

电路的工作波形如图4，其震荡频率为f=1/（t pL+t pH）=1.43/(R1+2R3+2Rp) C2
图2-2 由555定时器组成的多谐振荡器工作波形
三角波--正弦波转换电路的工作原理
图2-3 三角波产生正弦波原理图
原理：采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。

本次设计采用方案一，即由集成运算放大器组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。

3实验原理
3.1正弦波发生电路的工作原理
图3-1 正弦波发生电路
原理如下：
如图2所示，正弦波电路由放大电路、正反馈网络和选频率网络组成。

RC串联
臂阻抗为Z
1，RC并联臂阻抗为Z
2
，通常要满足R
1
=R
2
，C
1
=C
2
，
其频率特性分析如下：)/1(111jwC R Z +=，)1/()/1(22222C jwR R jwC R Z +== 反馈网络的反馈系数2
222)(31)(sRC sRC sRC
Z Z Z s Fv ++=
+=
因s=jw ，令w 0=1/RC ，则反馈系数为
)
(31
0w w w w j Fv -+=
幅频特性表达式为
2
002)(
31w
w w w Fv -+=
当w=w 0=1/RC 时，
幅频响应有最大值F vmax =1/3。

此时相频响应为
o 0=f ϕ。

这样RC 串并联选频网络送到运算放大器同相输入端的信号电压与输出电压同相，即πϕϕn f A 2=+，RC 反馈为正反馈，满足相位平衡，可能产生振荡。

调节RC 的参数时可实现频率谐振，在频率谐振过程中，电路不会停止振荡，也不会使输出幅度改变。

因此该选频网络决定信号发生器的输出信号频率。

本次采用RC 正弦波振荡器，可产生7Hz 至16KHz 的低频信号，满足设计要求。

3.2正弦波—方波转换电路的工作原理
图3-2-1 正弦波—方波转换电路
原理如下
R 6、D 3、D 4为输入保护电路，R 6为限流电阻，防止R 6过大时损坏运放器；D 3、D 4为输入保护二极管，限制输入电压幅度。

输出回路R 7为限流电阻，D 6 D 7稳压二极管，完成输出电压双向限幅，
当输入电压V i 为正弦波信号时，经比较器变换，输出V o 为方波信号，如图所示
图3-2-2
集成运放的电压
传输特性
3.3方波—三角波转换电路的工作原理
积分电路
图3-3 方波—三角波转换电路
原理如下：
如图5，利用虚短和虚断两条法则求V o 和V i 的关系，有：
0==P N V V
dt
dv
C dt V d C dt dv C
i C C -=-==)
0(0 （R 为R 8 C 为C 3） 有节点电流法可知
C R i i =
dt
dv C R V i 0-= ⎰
-=dt v RC v i 1
0，表明v 0与v i 为积分关系。

因此，若积分器输入为方波，其输出波形即为三角波，如图所示
但在实际电路中，通常在积分电容C3L 两端并联反馈电阻Rf 即积分电路中的R10用作直流负反馈，目的是减少集成运算放大器输出端的直流漂移。

但是R fC ＞＞R8C.C 太小，会加剧积分漂移，若C 增大，电容漏电也随之增大。

通常取Rf ＞10R8 ,C ≤1uF(涤纶电容或聚苯乙烯电容)。

3.4电路参数的计算及选择
（1）对正弦波发生电路：
振荡频率RC
f π21
0=，10Hz<f 0<10KHz,
取C=1uF ，则R 取值为15.9至15.9K ，R 可取20K 电位器。

起振幅值条件3484≥+=
R R R A ,即24
8≥R R
，R8取6k ，仿真时实际取R 4=3.3k Ω 稳幅部分采用常见的1N4001反向并联连接，输出端用1k Ω电阻限流。

（2）对正弦波—方波转换电路：
输入端保护限流电阻R 3选择1K ，限制电压输入幅度同样采用二极管1N4001反向并接，
输出端限流电阻选用20K 电位器，Dz 选用RD15稳压管反向串联，电压幅度限制在±Vz 。

（3）对方波--三角波转换电路： C 3采用1uF ，R 10采用1K Ω，3
10
71
C R R ω==900Ω
5 电路的仿真
本次设计采用Multisim软件进行仿真，在Multisim中按照设计原理图画出仿真图后，查看输出曲线。

5.1正弦波发生电路的仿真
图5-1 正弦波发生电路
5.2正弦波—方波转换电路的仿真
图5-2 产生的正弦波和方波曲线
5.3方波——三角波转换电路的仿真
图5-3产生的方波——三角波曲线
6、电路的安装与调试
6.1正弦波发生电路的安装与调试
（1）安装正弦波产生电路
首先将运放芯片LM324插入通用电路板；
再分别把各电阻、电容放入适当位置，电位器管脚不要接错；
最后按设计原理图接线。

（2）调试正弦波产生电路
首先接入正负直流电源后，用示波器进行正弦波单踪观察；
然后调节R
11、R
12
使正弦波的幅值及频率满足指标要求；
根据示波器的显示，各指标达到要求后进行下一步安装。

6.2正弦波—方波转换电路的安装与调试
（1）安装正弦波—方波变换电路
首先将LM324插入电路板；
再分别把电阻放入适当位置；
按图接线，注意直流源的正负及接地端。

（2）调试正弦波—方波变换电路
首先接入正负直流电源后，用示波器进行正弦波—方波双踪观察；
然后调节波的幅值及频率满足指标要求；
根据示波器的显示，指标符合要求后进行下一步安装。

6.3方波—三角波转换电路的安装与调试
首先将LM324放入电路板，再分别把电容、电阻放入适当位置；
按图接线，注意正负极。

接入正负直流电源后，用示波器进行方波—三角波双踪观察。

6.4总电路的调试
把三部分的电路接好，进行整体测试、观察示波器波形。

针对各部分出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求。

（1）电路仿真时，最初用PSpice软件进行，测试后发现，相同的参数在Multisim 中能产生波形，在PSpice中却不能满足，但实物电路也验证了该参数下波形的产生，为取得最佳仿真效果，改用Multisim仿真。

（2）实物电路中方波及三角波调幅不能很好的实现。

可能是前后电路时间常数配合有误差，导致积分器饱和。

（3）实际电路中增加了几个开关，便于测量输出不同的波形。

7元器件列表
表4 元器件清单
8课设小结
时间流逝，五天的课程设计时间结束了，我已经成功完成课程设计，制作出一个函数信号发生器，此次课程设计让我收获到其中的制作调试的艰辛以及制作成功后的愉悦心情。

首先进行电路图的选择，确定好想制作一个什么东西，于是便在网上搜索和去图书馆查询，最终确定出总电路原理图，原理图确定后，用Multisim软件进行仿真，进一步确定各元件的参数，仿真结果，符合性能指标后，再按照电路图焊接电路板。

焊接过程相对比较顺利，但焊接完成后，令我失望的事出现了----失败，不
成功。

便开始焦虑起来，冷静下来，按照电路原理图进行核对，检查电路，看看是否有漏焊、虚焊、短路、错焊的地方，检查第一遍后，发现错误真不少，开始发觉做事必须要细心，有些地方完全可以避免，由于自己粗心导致。

便对着电路原理图反复检查了几遍，把一些显而易见的地方改正过来。

通过此次模电课程设计，让我收获了很多知识和经验。

感谢老师给我们这次亲自动手，自行完成课程设计的机会，让我们受益匪浅。

在很多能力上有了很大的提高：加深了对电路的分析能力；掌握了常用电子器件的类型和特征；学会电子电路的焊接、安装和调试；培养了自己解决问题的能力；提高了严肃认真的工作作风和严谨的科学作风。

无论做任何事情都要具有良好的专业素质，以后遇事不要浮躁，做事要严肃认真细心，作为电气学生，我们要养成仔细严谨的工作与科学作风，容不得半点马虎，一个元件的接错可能导致很大的失误。

通过实习，我们能够更好的了解自己的不足，了解关于课程设计应注意的方方面面，能够为我们以后的继续学习积累一笔宝贵的财富。

这次的实习，我得到了很多经验和教训，我会吸取实习得到的东西，运用在今后的学习和生活中。

9 参考文献
1. 吴友宇.《模拟电子技术基础》. 清华大学出版社，2009.5
2. 谢自美.电子线路设计·实验·测试.第三版.武汉：华中科技大学出版社，2006.8
3. 谢自美.电子电路设计.实验.测试.武昌：华中理工大学出版社，199
4.
4. 童诗白.模拟电子技术基础.第二版.北京：人民邮电出版社，1999.
5. 康华光主编，电子技术基础（数字部分、模拟部分），高等教育出版社，1998.
6. 胡宴如．模拟电子技术[M]．北京：高等教育出版社，2004，2．
7.] 廖芳.电子产品生产工艺与管理.电子工业出版社2003: 98-100.。