低频函数信号发生器设计实验报告 精品

实验报告
课程名称：电子系统综合设计指导老师：周箭成绩：实验名称：低频函数信号发生器（预习报告）实验类型：同组学生姓名：
一、课题名称
低频函数信号发生器设计
二、性能指标
（1）同时输出三种波形：方波，三角波，正弦波；
（2）频率范围：10Hz～10KHz；
（3）频率稳定性：；
（4）频率控制方式：
①改变RC时间常数；
②改变控制电压V
1实现压控频率，常用于自控方式，即F=f（V
1
），（V
1
=1～10V）；
③分为10Hz～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz三段控制。

（5）波形精度：方波上升下降沿均小于2μs，三角波线性度δ/V
om
<1%，正弦波失真度
；
（6）输出方式：
a)做电压源输出时
输出电压幅度连续可调，最大输出电压不小于20V
负载R
L =100Ω～1KΩ时，输出电压相对变化率ΔV
O
/V
O
<1%
b)做电流源输出时
输出电流幅度连续可调，最大输出电流不小于200mA
负载R
L =0Ω～90Ω时，输出电流相对变化率ΔI
O
/I
O
<1%
c)做功率源输出时
最大输出功率大于1W（R
L =50Ω，V
O
>7V有效值）
具有输出过载保护功能
三、方案设计
根据实验任务的要求，对信号产生部分，一般可采用多种实现方案：如模拟电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合的实现方案等。

数字电路的实现方案
一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。

这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。

其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。

数字电路的实现方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。

随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。

波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。

因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频（如>1MHz）
信号。

模数结合的实现方案
一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。

如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。

模拟电路的实现方案
是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。

由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。

模拟电路的实现方案有几种：
①用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角
波。

但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。

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

若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。

②由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转
换成正弦波信号，该电路方式也是本实验信号产生部分的推荐方案。

这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。

而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。

四、单元电路分析
1、三角波，方波发生器
线性度变差，故采用另一种比较器+积分器的方式由于比较器+RC电路的输出会导致V
C
积分器同相滞回比较器
由积分器A1与滞回比较器A2等组成的三角波、方波发生器电路如图所示。

在一般使用情况下，
V +1和V
-2
都接地。

只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V
+1
和
V
-2
的大小和方向加以调整。

合上电源瞬间，假定比较器输出为低电平，v O2=V OL=-V Z。

积分器作正方向积分，v O1线性上
升，v
p 随着上升，当v
p
>0时，即v
o1
≥R
2
/R
3*
,比较器翻转为高电平，v
O2
=V
OH
=+V
Z。

积分器又开始作负
方向积分，v
O1线性下降，v
p
随着下降，当v
p
<0时，即v
o1
≥R
2
/R
3*
,比较器翻转为低电平，v
O2
=V
OH
=-V
Z。

取C三种值:0.1uF 对应10-100Hz； 0.01uF 对应100-1kHz； 0.001uF 对应1k-10kHz 。

调节R23的比值可调节幅度，再调节R，可调节频率大小。

2、正弦波转换电路
常用方法有使用傅里叶展开的滤波法，使用幂级数展开的运算法，和转变传输比例的折线法。

但前二者由于其固有的缺陷：使用频率小，难以用电子电路实现的原因，在本实验中舍弃，而采取最普遍的折线法。

折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。

折线法的转换原理是，根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逼近，输出近似的正弦电压波形。

由于电子器件（如半导体二极管等）特性的理想性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。

因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。

用折线法实现正弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。

无源正弦函数转换电路，是指仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。

根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）
二极管通路以改变转换网络的衰减比，输出近似的正弦电压波形。

有源正弦函数转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。

也是根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换电路的放大倍数，输出近似的正弦电压波形。

有源正弦函数若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即
则有，由此，可推断出各断点上应校正到的电平值：
方案一，使用二极管控制形成比例放大器，使得运放在不同时间段有不同的比例系数
方案二，用二极管网络，实现逐段校正，运放A组成跟随器，作为函数转换器与输出负载之间的隔离（或称为缓冲级）。

当输入三角波在T/2 内设置六个断点以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在1.8 % 以内，若将断点数增加到12 个时，正弦波的非线性失真度可在0.8 %以内。

3 输出级电路根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式。

(1)电压源输出方式
电压源输出方式下，负载电阻R
通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要求
L
有一定的输出电压。

同时，当负载变动时，还要求输出电压的变化要小，即要求输出级电路的输足够小。

为此，必须引入电压负反馈
出电阻R
O
图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V 时，则VOPP =±(12 ~ 14)V。

若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图12（b）所示。

(2) 电流源输出方式
在电流源输出方式下，负载希望得到一定的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的要求。

同时，当负载变动时，还要求输出电流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻Ro。

为此，需引入电流负反馈。

图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V 时，则VOPP =±(12 ~ 14)V。

若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图（b）所示。

图（a）为一次扩流电路， T1 和T2 组成互补对称输出。

运放的输出电流IA中的大部分将作为T1 、T2 的基极电流，所以IO = βIA 。

图（b）为二次扩流电路，用于要求负载电流IO 较
大的场合。

复合管T1、T2和T3、T4 组成准互补对称输出电路。

(3)功率输出方式
在功率输出方式下，负载要求得到一定的信号功率。

由于晶体管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小的负载。

电路通常接成电压负反馈形式。

如用运放作为前置放大级，还必须进行扩流。

当RL较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必须进行输出电压扩展。

静态时，运放输出为零，– 20V电源通过下列回路：运放输出端→R1 →DZ →b1 →e1 →–20V 向T1 提供一定的偏置电流 R6 ,C3 和R7 ,C4 组成去耦滤波电路。

需要注意的是几个晶体管的耐压限流以及最大功率值。

其中调节W可改变晶体管的静态工作电流，从而克服交越失真。

4) 输出级的限流保护由于功率放大器的输出电阻很小，因而容易因过载而烧坏功率管。

因此需要进行限流保护。

图（a）是一种简单的二极管限流保护电路，当发生过流（I o过大）时，R3 、R4 上的压降增大到足以使D3 、D4 导通，从而使流向T1 、T2 基极的电流信号I1 、I2 分流，以限
制I o 的增大。

图（b）是另一种限流保护电路，T3 、T4 是限流管。

当I o 过大，R5 、R6 上的压降超过0.6V时，T3 、T4 导通防止了T1 、T2 基极信号电流的进一步增大。

I o 的最大值为 0.6/R5，
R3 、R4 用来保护限流管T3 、T4 。

五、仿真分析
以1KHz为例即C=1nF
三角波方波发生电路
方波下降沿时间4.3μs
三角波峰值
改变RP2
改变RP1
调节占空比
调节偏移量
正弦波转换器
三角波转换正弦波，三角波放大后输出峰峰值10V
静态工作点
改变静态工作点（调节RP45）发生失真
功率放大电路
功率放大波形，输入为之前的正弦波，变阻器衰减后最大不失真输出电压
总电路图，模块形式
衰减前的输入信号与输出信号
由仿真结果来看，基本满足设计要求，准备按仿真电路设计实际电路。

低频函数信号发生器设计实验报告
六、仿真心得
在仿真的过程中出现了一下几个问题，但后来都分别排查掉了，希望实际连接时不再犯。

1、运放未接电源导致没有波形
2、变阻器接入阻止过小或过大导致没有信号或失真（尤其需要注意）
3、Lm324故障无法解决导致用了LM353代替。