简易信号发生器设计制作

简易信号发生器设计制作

一、训练目的 （1）掌握正弦波、三角波、矩形波和方波发生电路的工作原理； （2）学会正弦波、三角波、矩形波和方波发生电路的设计方法；

（3）进一步熟悉电子线路的安装、调试、测试方法。

二、工作原理

正弦波、三角板、矩形波是电子电路中常用的测试信号，如测试放大器的增益、通频带等均要用到正弦信号作为测试信号。下面分别介绍产生这三种信号电路结构和工作原理。 1．正弦信号发生器

正弦信号的产生电路形式比较多，频率较低时常用文氏电桥振荡器，图7-1为实用文氏电桥振荡电路。图中R 1、R 2、R 3、RW 2构成负反馈支路，二极管D 1、D 2构成稳幅电路，C 2、R 11（或R 12或R 13）、C 1、R 21（或R 22或R 23）串并联电路构成正反馈支路，并兼作选频网络。调节电位器RW 2可以改变负反馈的深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。二极管D 1、D 2要求温度稳定性好，特性匹配以确保输出信号正负半周对称，R 4接入用以消除二极管的非线性影响，改善波形失真。如K1接电阻R 11、K2接R 21，并且R 11= R 21=R ，C 1= C 2=C ，则电路的振荡频率为：

1

2f RC

π=

（7-1）

起振的幅值条件：

1

1f v R A R =+

（7-2）

图7-1 正弦信号发生器

通过调整RW 2可以改变电路放大倍数，能使电路起振并且失真最小。该电路可通过开关K1、K2选择不同的电阻以得到不同频率的信号输出。 2．方波和矩形波发生器

方波发生电路如图7-2，其基本原理是在滞回比较器的基础上增加了由R 4和C 1构成的积分电路，输出电压通过该积分电路送人到比较器的反相输入端。其中R 3 、D Z1和D Z2构成双向限幅电路，这样就构成了方波发生器电路，其工作原理如下：

假设在接通电源瞬间，输出电压o v 为Z V +(稳压二极管D Z1、D Z2额定工作时的稳压值)，这时比较器同相端的输入电压为

2

12

Z R v V R R +≈

+ （7-3）

同时输出电压o v 会通过电阻R 4给C 1充电，反相端的输入电压v -就会逐步升高，当反向输入端的电压v -略大于同相端输入电压v +时，比较器输出电压立即从Z V +翻转为Z V -，这时输出端电压o v 为Z V -，比较器同相端输入电压v +'为

2

12

Z R v V R R +'≈-

+ （7-4）

这时输出的电压o v 会通过R 4对C 1进行反向充电，当反相输入端的电压略低于v +'时，输出状态再翻转回来，如此反复形成方波信号。所产生方波信号的频率为

41

1

2f R C =

方波 （7-5）

R 4

o

图7-2 方波发生电路

o

图7-3 矩形波发生电路

如果在积分电路中加入元件D 1、D 2和RW 1，则电容C 1正向、反向充电时间常数不同，这样就变成了矩形波发生电路，如图7-3。在该电路中通过改变电阻器RW 中心抽头的位置（即调节电阻器）就可以改变矩形波的占空比。矩形波发生器的振荡频率为

()21211

1

2ln(1)

f R

RW RW C R =

++矩形波 （7-6）

3．三角波发生电路

图7-4是用一个比较器和一个积分器组成的方波和三角波波发生器。其中R 1、R 2、RP 1和IC1A 组成过零比较器，如比较器的输入端为正弦信号或三角波信号则输出为方波；R 3、R 4、C 1、RP 2和IC1B 组成积分电路，如果积分电路的输入端输入方波信号，则积分器积分后就输出三角波信号。在该电路中积分器的输出正好与比较器的输入端相连，这样积分器输出的三角波触发比较器，比较器自动翻转输出方波，

而比较器输出的方波信号积分器积分后输出三角波信号，这样就构成了三角波发生电路。

C o2

图7-4 三角波发生电路

4．三角波-正弦波变换电路

我们选用差分放大器实现三角波-正弦波变换，电路如图7-5，是利用差分对管的饱和与截止特征实现的。其中Q1、Q2构成差分电路，Q3、Q4构成恒流源。图7-6（a ）为差分电路的传输特性曲线，图7-6（b ）输入的三角波信号，图7-6（c ）为输出的正弦波信号。

R 178K

+

C 8

图7-5 三角波-正弦波变化电路

从图7-5可以看出，要实现三角波-正弦波转换，输入的三角波幅值应能让差分电路中的晶体管进入非线性区，如果幅度太小，差分电路仅工作在线性区，就无法实现三角波-正弦波转换。在实际应用电路中，为使输出波形更接近于正弦波，要求传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄。图7-5的三角波-正弦波变换电路中，R 11调节三角波的幅度，R 16调整电路的对称性。

图7-6 三角波-正弦波变换原理

三、设计任务

1.设计任务

利用运算放大器或三极管设计具有三角波、方波和正弦波输出的简单信号源，具体要求

t

如下：

（1）输出三角波，频率范围：20H Z—20KH Z，输出幅度-7V—+7V连续可调；

（2）输出与三角波同步的方波，频率范围：20H Z—20KH Z，输出幅度-7V—+7V。

（3）输出与三角波同步的正弦波，频率范围：20H Z—20KH Z，输出幅度约-7V—+7V。

2.设计过程

（1）根据设计任务，提出实现方案。

（2）根据设计方案，设计实现的原理图，并计算各元件参数。

（3）在矩阵板上安装焊接电路。

（4）按照焊接后，应仔细检查，再接通电源进行调试。

（5）自行设计实验表格，记录测试数据，并通过测试数据分析是否达到设计要求。

四、相关器材

（1）示波器1台；

（2）直流稳压电压1台；

（3）万用表1只；

（4）矩阵板（万用板）1块；

（5）运算放大器、比较器、三极管以及电阻电容若干。

五、预备知识

（1）复习有关利用集成运算放大器实现正弦波、方波、三角波及锯齿波发生器的原理。

（2）复习差分放大电路的工作原理并分析其传输特性曲线。

（3）分析三角波、方波及正弦波发生器的幅度及频率需改变哪些元件参数，并熟悉其频率计算方法。

六、设计报告要求

（1）画出设计方案图，并进行简单分析。

（2）画出设计好的实验电路图，简单写出参数计算过程，并在电路图上标出元件数值。

（3）测量输出的三角波、方波和正弦波的频率范围以及幅度范围；

（4）画出示波器上显示的波形图，特别注意方波、正弦波与三角波的相位关系，检查是否达到设计的要求。