简易信号发生器

湖南工学院课程设计说明书课题名称：简易信号发生器设计
专业名称：电气工程及其自动化
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指导教师：
课程设计任务书
简易信号发生器设计
（一）设计目的
1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术。

2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。

3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

（二）设计技术指标与要求
1、设计要求
（1）电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形；
（2）输出信号的频率要求可调；
（3）拟定测试方案和设计步骤；
（4）根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；
（5）在面包板上或万能板或PCB板上安装电路；
（6）测量输出信号的幅度和频率；
（7）撰写设计报告。

2、技术指标
频率范围：100Hz~1KHz 1KHz~10KHz；
输出电压：方波V P-P≤24V，三角波V P-P=6V，正弦波V P-P=1V；方波t r小于1uS。

（三）设计提示
1、方案提示：
（1）设计方案可先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波。

（2）也可用单片集成芯片IC8038实现，采用这种方案时要求幅度可调。

2、设计用仪器设备：
示波器，交流毫伏表，数字万用表，低频信号发生器，实验面包板或万能板，
智能电工实验台。

3、设计用主要器件：
（1）双运放NE5532（或747） 1只（或741 2只）、差分管3DG100 4个、电阻电容若干；
（2）IC8038、数字电位器、电阻电容若干。

4、参考书：
《电子线路设计·实验·测试》谢自美主编华中科技大学出版社
《模拟电子技术基础》康华光主编高等教育出版社
《模拟电子技术》胡宴如主编高等教育出版社
（四）设计报告要求
1、选定设计方案；
2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析并计算主要元件参数值；
3、列出测试数据表格；
4、调试总结，并写出设计报告。

（五）设计总结与思考
1、总结信号发生器的设计和测试方法；
2、总结设计信号发生器所用的知识点；
3、三角波的输出幅度是否可以超过方波？
4、IC8038的输出频率与哪些参数有关？如何减小失真？
目录
第1章绪论 (5)
第2章系统设计方案及各部分电路设计 (6)
2.1 概述 (6)
2.2 设计目的 (6)
2.3 设计任务 (6)
2.4 设计要求 (6)
2.5 系统设计方案 (7)
2.6 电路原理分析 (7)
2.6.1 函数发生器的组成 (7)
2.6.2 方波--三角波转换电路的工作原理 (8)
2.6.3 三角波--正弦波转换电路的工作原理 (10)
2.7 参数的选取 (11)
2.7.1 方波电路参数的确定 (11)
2.7.2 三角波电路参数的确定 (11)
2.7.3 正弦波电路参数的确定 (12)
第3章 EWB电路仿真及仿真结果 (13)
3.1 方波--三角波电路仿真 (13)
3.2 三角波--正弦波电路仿真 (14)
第4章电路板的调试 (16)
4.1 方波--三角波发生电路的调试 (16)
4.2 三角波--正弦波发生电路的调试 (16)
4.3 总电路的调试 (17)
4.4 调试中遇到的问题及解决方法 (17)
4.4.1 方波--三角波发生器的装调 (17)
4.4.2 三角波--正弦波发生器的装调 (17)
第5章结论和心得 (18)
参考文献 (19)
附录 (20)
附录1 元件清单 (20)
附录2 电路原理图 (21)
第1章绪论
函数发生器是一种多波形的信号源。

它可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形。

有的函数发生器还具有调制的功能，可以进行调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制。

函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。

可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。

信号发生器的实现方法通常有：（1）用分立元件组成的信号发生器；（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的信号发生器IC产生。

早期的函数信号发生器IC,如L8038、BA205、XR2007等，它们的功能较少，精度不高，调节方式不够灵活，频率和占空比不可独立调节，两者相互影响；（3）利用单片集成芯片的信号发生器能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。

采用分立元件产生正弦波、三角波、方波的方案有多种，先产生正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所成的某种特定的函数关系，再通过迟滞比较器电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其转换为三角波；也可以先通过迟滞比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，最后通过振荡电路产生正弦波。

本次设计采用分立元件产生方波、三角波、正弦波。

电路的原理部分的设计，采用单元电路的设计方法，对迟滞比较器、积分电路、振荡电路三部分单元电路进行原理的分析，参数的计算，最后通过EWB进行仿真，观察效果。

第2章系统设计方案及各部分电路设计
2.1 概述
信号发生器是一种能产生多种波形，如三角波，方波，正弦波的电路。

信号发生器在电路实验和设备检查中具有十分广泛的用途。

本设计通过对信号发生器的原理以及构成进行分析，设计了方波--三角波--正弦波简易信号发生器。

设计中首先确定了电路方案：由迟滞比较器、积分电路、振荡电路组成；接着对各单元电路进行理论分析，由迟滞比较器产生方波，积分电路产生三角波，振荡电路产生正弦波，同时对电路中各元器件的参数进行了计算，最后利用相关仪器进行测量。

2.2 设计目的
1、掌握信号发生器的设计方法和测试技术。

2、了解单片函数发生器IC8038的工作原理和应用。

3、学会安装和调试分立元件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

2.3 设计任务
电路能输出正弦波、方波和三角波等三种波形
频率范围：100Hz~1KHz 1KHz~10KHz；
输出电压：方波V P-P≤24V，三角波V P-P=6V，正弦波V P-P=1V；方波t r小于1uS。

2.4 设计要求
（1）电路能输出正弦波、方波和三角波等波形；
（2）输出信号的频率要求可调；
（3）拟定测试方案和设计步骤；
（4）根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；
（5）在面包板上或万能板上安装电路；
（6）测量输出信号的幅度和频率；
（7）写出设计性报告。

2.5 系统设计方案
用差分放大电路以及集成运放组成的电路实现三角波到正弦波函数信号发
生器
图2-1 函数发生器原理图
2.6 电路原理分析
2.6.1 函数发生器的组成
函数发生器由正弦波发生器，过零比较器，和积分器三个部分组成，如图
2-1所示。

电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数
发生器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、
三角波、正弦波函数发生器的方法。

方波三角波
正弦波过零比较器积分器正弦波发生器
图2-2 函数发生器组成框图
2.6.2 方波--三角波转换电路的工作原理
图2-3 方波--三角波转换电路原理图
图2-4 电路输出波形图
如果用线性积分电路代替方波产生电路的RC积分电路，则电容器两端就可获得理想的三角波输出。

其电路图如2-3所示。

波形如图2-4所示。

若反馈网络断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。

运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输
入端接输入电压Uia ，R1称为平衡电阻。

比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc ，低电平等于负电源电压-Vee （|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0 时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee 跳到高电平Vcc 。

设Uo1=+Vcc,则
312231231
()0CC ia R RP R U V U R R RP R R RP ++=++=++++ （2-1） 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为
223131
()CC CC ia R R U V V R RP R RP ---=+=++ （2-2） 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
223131
()EE CC ia R R U V V R RP R RP +-=-=++ （2-3） 比较器的门限宽度2312
H CC ia ia R U U U I R RP +-=-=+ （2-4） 反馈网络断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为214221()O O U U dt R RP C -=+⎰
（2-5） 1O CC U V =+ 时，2422422
()()()CC CC O V V U t t R RP C R RP C -+-==++ （2-6） 1O EE U V =-时，2422422
()()()CC EE O V V U t t R RP C R RP C --==++ （2-7） 可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系如图3-2所示。

反馈网络闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波、三角波。

三角波的幅度为 2231
O m CC R U V R RP =+ （2-8） 方波-三角波的频率f 为 312422
4()R RP f R R RP C +=+ （2-9）
2.6.3 三角波--正弦波转换电路工作原理
图2-5 三角波--正弦波转换电路原理图
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

分析表明，传输特性曲线的表达式为：
01
1/1id T C E U U aI I aI e
-==+ （2-10）
式中 /1C E a I I =≈
0I ：差分放大器的恒定电流（约为1mA ）。

T U ：温度的电压当量，当室温为25℃时，UT ≈26mV 。

如果Uid 为三角波，设表达式为
44434m id m U T t T U U T t T ⎧⎛⎫- ⎪⎪⎪⎝⎭=⎨
-⎛⎫⎪- ⎪⎪⎝⎭⎩
022T t T t T ⎛
⎫≤≤ ⎪
⎝
⎭⎛⎫≤≤ ⎪⎝⎭
(2-11)
式中 Um ：三角波的幅度。

T ：三角波的周期。

2.7 参数的选取
从电路的设计过程来看电路分为三部分：①方波部分②三角波部分③正弦波部分
2.7.1 方波电路参数的确定 ∵2
31p R V V R R =
+三角方波
由输出的三角形幅值与输出方波的幅值分别为5v 和14v ，有
231514p R R R =
+⇒231p R R R +=5
14
∴2R =10k Ω
则1p R ≈47 k Ω，3R =20 k Ω
根据方波的上升时间为两毫秒，查询运算放大器的速度，可以选择741型号的运放。

由此可得调整电阻：
1231||()10p R R R R k =+≈Ω
2.7.2 三角波部分参数的确定 根据性能指标可知 由442314()1
P P R R R C T R R f
⨯+⨯=
=+,可见f 与c 成正比，若要得到1Hz~10Hz ，C 1
为10F μ。

10Hz~100Hz,C 2为1F μ。

则42p R R +=7.5k Ω~75k Ω，则4R =5.1k Ω 则2p R =2.4k Ω或者2p R =69.9 k Ω ∴2p R 取100 k Ω
542()10p R R R k =+≈Ω 2.7.3 正弦波部分参数确定
由于我们选取差分放大电路对三角波——正弦波进行变换，首先要完成的工作是选定三极管，我们现在选择KSP2222A 型的三极管，其静态曲线图像如右图所示。

根据KSP2222A 的静态特性曲线，选取静态工作区的中心。

5,0.250.12,20c ce I mA I mA V V ββ====
由直流通路有：
112CE c C R I V =⨯+⇒12c c R R ==2 k Ω
22 6.8B B B V R I R =⨯⇒=B2 k Ω
图2-10三极管静态特性曲线
42
40.710022
p o E p R V I R =+⨯⇒≈Ω 因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。

根据KVL 方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：
可得 432,8E E R R k R k ==Ω=Ω
第3章 EWB电路仿真及仿真结果3.1 方波--三角波电路仿真
图3-1 方波仿真波形图
图3-2 三角波仿真波形图
图3-3 方波--三角波转换波形图3.2 三角波--正弦波电路仿真
图3-4 正弦波仿真波形图
图3-6 三角波--正弦波转换波形图
图形结果分析
波形方波三角波正弦波
要求指标V
P-P ≤24V V
p-p
=6V V
P-P
=1V
仿真结果V
P-P =22.2356V V
P-P
=5.0252V V
P-P
=1.0873V
第4章电路板的调试
4.1 方波——三角波发生电路的调试
1. 接入电源后，用示波器进行双踪观察。

2. 调节RP1，使三角波的幅值满足指标要求。

3. 调节RP2，微调波形的频率。

电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。

若要求输出频率的范围较宽，可用C2改变频率的范围。

4. 方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。

三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。

电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

5. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一步安装。

4.2 三角波——正弦波转换电路的调试
1. 接入直流源后，把C4接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点。

2. 测试V1、V2的电压值，当不相等时调节RP4使其相等。

3. 测试V3、V4的电压值，使其满足实验要求。

4. 在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压。

为使输出波形更接近正弦波，由下图可见：
图4-1 三角波--正弦波变换特性曲线
（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区；
（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。

电容
C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

4.3 总电路的调试
1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察。

2. 针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦波的峰峰值等于1V。

4.4 调试中遇到的问题及解决方法
方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。

4.4.1 方波-三角波发生器的装调
由于比较器A
1与积分器A
2
组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，
这两个单元电路可以同时安装。

需要注意的是，安装电位器R
P1与R
P2
之前，要先
将其调整到设计值，应先使R
P1=10KΩ,R
P2
取（2.5-70）KΩ内的任一值,否则电
路可能会不起振。

电路接线正确，通电后，U
O1的输出为方波，U
O2
的输出为三角
波，微调R
P1,使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节R
P2
，则输出频率在
对应波段内连续可变。

4.4.2 三角波---正弦波变换电路的装调
（1）经电容C4输入差模信号电压Uid=1v，Fi =100Hz正弦波。

调节Rp4及电阻R,使传输特性曲线对称。

再将C4左端接地，测量差份放大器的静态工作点I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.
（2) Rp3与C4连接，调节Rp3使三角波输出幅度经Rp3等于Uidm值，这时Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。

第5章结论和心得
这学期我们学习了模电，老师给我们布置了模电课程设计的任务、因为学习任何知识，仅从理论上去求知，而不去实践、探索是不够的，所以在本学期模电刚学完之际，紧接着来一次电子电路课程设计是很及时、很必要的。

这样不仅能加深我们对电子电路的认知，而且还及时、真正的做到了学以致用。

通过这段时间不懈的努力与切实追求，我们小组终于做完了课程设计。

通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；知道了如何判断三极管的管脚；如何接六脚开关以及如何提高电路的性能等等。

在实验过程中，我们也遇到了不少的问题。

比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。

还有就是焊接实物的问题，我们以为很简单，但其实很复杂，要对焊板上的元件进行布置和焊接电路元件连线，这有很大的难度。

在此期间，除了对元件较好的焊接外，还要考虑电路元件间的影响（即元件之间信号的干扰等问题），还要考虑元件连线的不相交以及焊板面积的大小、元件摆放和连线的美观性等，所以想要焊出一块实用又美观的板子，还要经过一番考虑和布置。

但是最后在老师和同学的帮助以及自己的不断努力下，把问题一一解决了，那种心情别提有多高兴啊。

实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，所以，我们要加强对理论知识的学习。

作为一个电气工程及其自动化专业的学生，我深知课程设计的重要性。

这次课程设计我从刚开始的什么都不懂不会不敢不碰，到现在的基本了解了一个电路元件是如何构成的，还有以前看的集成板上让人难琢磨的电路焊接图我都可以看懂一些了，其中的电路仿真也让我对以前学习的电路知识有了详细地了解。

总的来说我们顺利完成了这次的模拟电子技术的课程设计。

很感谢老师这次布置的作业，为我们以后的实践打下了坚实的基础。

参考文献
《电子线路设计·实验·测试》谢自美主编华中科技大学出版社《模拟电子技术基础》康华光主编高等教育出版社
《模拟电子技术》胡宴如主编高等教育出版社。