低频函数信号发生器的项目设计实验报告

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）