信号发生器设计 附仿真

南昌大学实验报告

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实验类型：□验证□综合□设计□创新实验日期：实验成绩：

信号发生器设计

一、设计任务

设计一信号发生器，能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真。

二、设计要求

基本性能指标：(1)频率范围100Hz~1kHz；(2)输出电压：方波U p-p≤24V，三角波U

=6V，正弦波U p-p>1V。

p-p

扩展性能指标：频率范围分段设置10Hz~100Hz, 100Hz~1kHz，1kHz~10kHz；波形特性方波t r<30u s（1kHz，最大输出时），三角波r△<2%，正弦波r～<5%。

三、设计方案

信号发生器设计方案有多种，图1是先产生方波、三角波，再将三角波转换为正弦波的组成框图。

图1 信号发生器组成框图

主要原理是：由迟滞比较器和积分器构成方波——三角波产生电路，三角波在经过差分放大器变换为正弦波。方波——三角波产生基本电路和差分放大器电路分别如图2和图4所示。

图2所示，是由滞回比较器和积分器首尾相接形成的正反馈闭环系统，则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。其工作原理如图3所示。

图2 方波和三角波产生电路

图3 比较器传输特性和波形

利用差分放大器的特点和传输特性，可以将频率较低的三角波变换为正弦波。其基本工作原理如图5所示。为了使输出波形更接近正弦波，设计时需注意：差分放大器的

应接近晶体管的截止电压值。传输特性曲线越对称、线性区越窄越好；三角波的幅值V

m

图4 三角波→正弦波变换电路

图5 三角波→正弦波变换关系

在图4中，RP 1调节三角波的幅度，RP 2调整电路的对称性，并联电阻R E2用来减小差

分放大器的线性区。C 1、C 2、C 3为隔直电容，C 4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出

波形。

波形发生器的性能指标：

①输出波形种类：基本波形为正弦波、方波和三角波。

②频率范围：输出信号的频率范围一般分为若干波段，根据需要，可设置n 个波段范围。

③输出电压：一般指输出波形的峰-峰值U p-p 。

④波形特性：表征正弦波和三角波特性的参数是非线性失真系数r ～和r △；表征方波

特性的参数是上升时间t r 。

四、电路仿真与分析

五、调试

一、方波和三角波产生电路：

三角波的幅度与R2与（R3+RP1)的比值有关。频率取决于R2与（R3+RP1)的比值和积分电路时间常数（R4+RP2)C2。

频率为100-1k 时，方波Vpp=22.4V<24V ；三角波Vpp=6.02V ；

输出三角波的P-P 就是比较器的门限宽度：

Vcc R R R V V V t t 6

43*2t +=-=∆-+，其中三角波p-p ＝6V ；平衡电阻R1=R3//(R4+R6);

通过R2进行频率调节。

S1接通时频率为1k-10k

方波发生了部分失真

S3接通时频率为10-100

方波上升时间=77us>30us ；

二、三角波-正弦波变换电路 差分放大器的传输特性曲线

t /-e 1ie ic V v I

+==αα，α约等于1；Vt=26mV ； 如果vid 为三角波，设⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧-）（）（4/3-t T 4V m -4/t m 4vid T T T V ，则⎪⎪⎭

⎪⎪⎬⎫⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧≤≤+≤≤+=T T I T I T T V V T T V V t 2/e 1o 2/t 0e 1o 1ic 4/-t t m 44/-t t m 4-，，）（）（αα Rp1调节三角波幅度，Rp2调整电路的对称性，并联电阻Re2用来较小差分放大器的线性区。C1C2C3为隔直电容，作为耦合电容要取的较大，取470uF 。C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善波形。C5、C6、C8C7一般为几十皮法至0.1uF,以滤除输出信号的高次谐波分量。

R13的调整将影响差分放大器的静态工作点电流IO ，取大小为mA ，则输出电流I oPP≈IO/2，大小也为mA ，输出电压VoPP=IoPP ×R'L 大小可达到为V ，则正弦波Up-p>1V 。

六、误差分析

1、方波输出电压Vpp ≤2Vcc ，由于运放的输出存在饱和压降，使方波输出幅度小于电源电压；

2、方波的上升时间Tr ，主要受运放转换速率的限制。如果输出频率较高，则可接入加速电容，一般为几十皮法。

3、产生失真原因及措施：

A.钟形失真。传输特性曲线的线性区太宽，应减小R11；

B.半波圆顶或平顶失真。传输特性曲线对称性差，应调整R13；

C.非线性失真。由三角波的线性度较差引起，可在输出端加滤波网络改善波形。

七、实验总结

参考书上内容，分模块进行设计调试，再将各模块搭建起来。虽然书上有公式，但实际设计起来并不是十分顺利，而且理论计算与实际仿真也有差异。典型的就是频率那里，无法拉到10kHz，当频率越高，失真线性越严重。通过本次实验，在加深各元件使用技能外，也理解了理论的不一定都是正确的，还需要实践来验证。

八、仿真原件