函数信号发生器实验报告

北京邮电大学

电子电路综合设计实验

实验报告

实验名称：函数信号发生器的设计与调测

The Design and Debugging of Function Signal Generator

摘要：方波与三角波发生器由集成运放电路构成，包括比较器与RC积分器组成。方波发生器的基本电路由带正反馈的比较器及RC组成的负反馈构成；三角波主要由积分电路产生。两个电位器中一个调整方波频率，一个改变方波的占空比；三角波转换为正弦波，则是通过差分电路实现。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度大小由稳压管的稳压值决定，方波经积分得到三角波；而正弦波发生电路中两个电位器实现正弦波幅度与电路的对称性调节，实现较理想的正弦波输出波形。

关键词：函数信号发生器，方波，三角波，正弦波

设计任务要求：

基本要求：

a）设计制作一个可输出正弦波、三角波和方波信号的函数信号发生器。

1）输出频率能在1-10KHz范围内连续可调，无明显失真；

=12V，上升、下降沿小于10µs，占空比可调范2）方波输出电压U

opp

围30%-70%；

3）三角波U

=8V；

OPP

≥1V。

4）正弦波U

opp

b）设计该电路的电源电路（不要求实际搭建），用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）

提高要求：

a）三种输出波形的峰峰值U

均可在1V-10V范围内连续可调。

opp

b）三种输出波形的输出阻抗小于100Ω。

c）用PROTEL软件绘制完整的印制电路板图（PCB）。

探究环节：

a）能否提供使所设计函数信号发生器显示出当前输出信号的种类、大小和频率的实验演示或详细设计方案；（提示：三种波形从同

一个端口输出，再用发光管之类的东西指示当前输出波形）

b）能否提供其他函数信号发生器的设计方案？如果能提供，请通过仿真或实验结果加以证明。

设计思路：

1、原理框图：

实验设计函数发生器实现方波、三角波和正弦波的输出，其可采用电路图有多种。此次实验采用迟滞比较器生成方波，RC积分器生成三角波，差分放大器生成正弦波。除保证良好波形输出外，还须实现频率、幅度、占空比的调节，即须在基本电路基础上进行改良。

由比较器与积分器组成的方波三角波发生器，比较器输出的方波信号经积分器生成三角波，再经由差分放大器生成正弦波信号。其中方波三角波生成电路为基本电路，添加电位器调节使其频率幅度改变；正弦波生成电路采用差分放大器，由于差分放大电路具有工作点稳定、输入阻抗高、抗干扰能力较强等优点，特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

2、系统的组成框图

分块电路与总体电路的设计：

1、方波-三角波产生电路

上图所示为方波-三角波基本产生电路。

由于采用了运算放大器组成的积分电路，可得到比较理想的方波和三角波。该电路振荡频率和幅度便于调节，输出方波幅度的大小由稳压管的稳压值决定，

即限制在±（U

Z + U

D

）之间。

方波经积分得到三角波，幅度为U

o2m =±R1/Rf*(Uz + U

D

)

改变R

1与R

f

的比值可调节U

o2m

的大小

方波和三角波的振荡频率相同，为f = 1/T =αRf/4R1R2C

式中α为电位器的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。调节电位器可改变振荡频率。

电路元件的确定:

(1)、根据所需振荡频率的高低和对方波前后沿陡度的要求，选择电压转换速率S

R

合适的运放。

（2）、根据所需输出方波幅度的要求，选择稳压值合适的稳压管型号和限流电阻Ro的大小。

（3）、根据输出三角波的幅度要求，确定R1与R

f

的大小

R

1 = U

O2M

/(Uz + U

D

)Rf

（4）、根据所要求的振荡频率确定R ：C的值

R

2C = αRf/4fR

1

其原理如下图，由波形得：

方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，被限制在±（Uz+Ud 之间。基本要求中方波的峰峰值为12V ，故选用稳压值为6V 的稳压管。方波经积分得到三角波，幅度为Uo2= ±R1/R2（Uz+Ud ），由R1和Rf 的比值及稳压管的稳压值决定，基本要求中三角波的峰峰值为8V ，R1和Rf 的比值为2:3，鉴于增大谐振的可能，选择R1为20k ，Rf 为30k 。R3为平衡电阻，根据电子电路的课本可计算出大概值为6.2k 。

根据所需振荡频率的高低和对方波前后都读的要求，选择电压转换速率SR 合适的运放。在产生方波的时候选用转换速率较快的运放LM318，产生三角波的时候选择运放UA741.根据计算可设定R2=2k ，C=0.01uf 。R4为直流平衡电阻，其作用是减小后消除静态时可能在运放输出端产生的附加差模输入电压，应与R2的电阻值一样，为2k 。根据所需要输出方波的幅度选择合适的稳压管和限流电阻R0的大小。选择限流电阻大小为680。为了使电位器的a 的变化范围较大，信号的频率范围可达到要求，1-10k 范围可调，电位器Rw 选择为10k 范围可调。

2、三角波-正弦波产生电路

实验采用差分放大电路，利用差分放大器传输特性曲线的非线性，以实现三角波转换为正弦波。

差动放大器具有很高的共模抑制比，被广泛地应用于集成电路中，常作为输入级或中间放大级；其特性使得可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。 分析表明，传输特性曲线的表达式为：022/1id T C E U U aI I aI e

==

+ 式中 /1C E a I I =≈

0I ——差分放大器的恒定电流； T U ——温度的电压当量，当室温为25oc 时，UT ≈26mV 。

如果Uid 为三角波，设表达式为

式中 Um ——三角波的幅度；

T ——三角波的周期。

1）差动放大器设计：