简易函数信号发生器的设计

闽南师范大学
设
计
报
告
简易函数信号发生器
*名：***
学号： **********
班级：
指导老师：***
2013年5月
摘要
在实验中，经常要使用到方波、三角波等波形的波形信号产生电路，常用于产生各种电子信号，完成电子系统间的通信以及自动测量和自动控制等系统中。

本电路采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。

该波形发生器具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定，能产生方波、三角波和正弦波等电子信号，可以作为其它电子系统的信号发生模块电路。

关键词：LM324；滞回比较器；积分电路；滤波电路
目录
摘要 (I)
一、课程设计的任务及要求 (1)
（一）设计任务 (1)
（二）设计要求 (1)
（三）注意事项 (1)
二、方案选择 (1)
（一）方案1 (1)
（二）方案2 (2)
三、设计原理 (2)
（一）原理框图及原理图 (2)
（二）各单元电路 (4)
1．产生方波的原理图 (4)
2．产生三角波的原理图 (7)
3．产生正弦波的原理图 (3)
四、PCB布版 (5)
五、实物安装调试 (6)
（一）测试波形 (6)
1．方波 (6)
2．三角波 (7)
3．正弦波 (8)
（二）测试数据 (9)
（三）实验结果分析 (9)
（四）与仿真的对比................................... 错误!未定义书签。

六、设计总结 (9)
七、原件清单............................................. 错误!未定义书签。

一、课程设计的任务及要求
（一）设计任务
利用集成运算放大器LM324设计一个简易函数信号发生器，要求能产生正弦波、方波和三角波三种波形。

（二）设计要求
采用双电源供电形式：电源v V CC 12+=、v V EE 12-=；要求在2k Ω负载条件下，输出信号满足：
正弦波：v V PP 10≥；方波：v V PP 14≤；三角波：v V PP 8≤； 频率范围：KHz Hz 3~200范围内连续可调； 波形无明显失真。

（三）注意事项
（1） 集成运放采用LM324（1片），双电源可利用实验室提供的直流稳压电源，
其余器件根据自己设计参数选择；
（2） 布PCB 版要注意留有测量数据或观察波形的测试口； （3） 设计报告要根据自己实际设计情况撰写； （4） 允许同学相互探讨，但杜绝抄袭。

（5） 课程设计报告提交文件命名方式“学号+姓名.doc ”
二、方案选择
（一）方案1
采用ICL8038集成函数信号发生器芯片外加电阻、电容元件，构成波形发生电路。

ICL8038集成函数信号发生器芯片是一种多用途的波形发生器芯片，它可以用来产生正
弦波、方波、三角波和锯齿波。

它的振荡频率可以通过外加的直流电压进行调节，是一种压控集成函数信号发生器。

虽然ICL8038集成函数信号发生器的功能强大，但是它的价格昂贵，而且市面上也较难买到。

如果用ICL8038芯片来制作简易波形发生器系统，则会大大增加系统的制作成本。

（二）方案2
采用LM324集成运放芯片，外加电阻、电容等元器件调整、滤波，构成简易波形发生器。

LM324是一种集成运算放大器芯片，它的内部有四个独立的运算放大器。

根据所学的知识，运算放大器可以构成滞回比较器、积分器和二阶有源低通滤波器电路，可以分别产生方波、三角波和正弦波。

依靠这些电路的组合，就可以制作成简易波形发生器电路。

该电路具有效率高、体积小、重量轻，输出稳定等特点。

而且LM324集成运放芯片价格低廉，又很容易买到，可以降低电路的制作成本。

基于这种考虑，方案2被选用。

三、设计原理
（一）原理框图及原理图
原理框图总原理图
（二）各单元电路
1．产生方波的原理图
方波发生电路原理图
滞回比较器的电压传输特性 方波发生电路的波形图
（1）工作原理
滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，也具有一定的抗干扰能力。

由滞回比较器输出只有二种可能U OH 或U OL ，及对RC 电路进行充电或放电。

电容上电压的升高或降低，又作为比较器控制U O 状态翻转的信号，U O 的跳变又进而控制了电容上的电压是充电或放电，如上了循环，可在比较器的输出端得到方波或矩形波。

同相输入端输入的滞回比较器电路如图2.1所示,电路中引入了正反馈。

从集成运
放输出端的限幅电路可以看出Z
O U U ±=,集成运放同相输入端电位UN=UI,反相输入端电位。

根据“虚短”U N =U P ,求出的U P 就是阈值电压,因此得出 当U I <-U T ,U N <U P ,因而Z O U U ±=,所以U P =+U T 。

U I =+U T ,U O =-U Z 。

当U I >+U T ,U N >U P ,因而Z O U U ±=,所以U P =-U T 。

U I =+U T ,U O =-U Z 。

可见, U O 从+U Z 跃变为-U Z 和U O 从-U Z 跃变为+U Z 的阈值电压是不同的,电压传输特性如图所示。

Z REF P U R R R R U R R R R U ^
^899
899++±++=
(式2.1)
令U I =U N =U P ,求出的U I 就是阈值电压,因此得出
Z REF T U R R R R U R R R R U ^
^899
8991+++++=
(式2.2)
Z REF T U R R R R U R R R R U ^
^899
8992++-++=
(式2.3)
由于充放电时间常数相同，用电路三要求法可得t 3-t 2=t 2-t 1=1/2T (式2.4)
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⇒⎪⎪⎪⎩
⎪
⎪⎪⎨⎧=⎪
⎪⎭⎫ ⎝⎛++=-⎪⎪⎭⎫
⎝⎛++=-^21ln 2^21ln ^21ln 8282238212R R R RC T R R R t t R R R t t 充放充放ττττ (式2.5)
（2）参数选择方法
电路的第一级是一个滞回比较器，用于输出方波。

它输出电压的幅度由稳压管ZD1、ZD2共同决定。

设计中，ZD1、ZD2均选用5.1V 的稳压二极管，则它们的稳压幅度U Z 为：
+U Z ＝4.3＋0.7＝5(V)
其中，0.7V 为二极管ZD1正向导通时的管压降。

-U Z ＝-(4.3＋0.7)＝-5(V)
其中，0.7V 为二极管ZD2正向导通时的管压降。

所以，
U O 1＝±U Z ＝±5(V)
,
（3）实验仿真情况 最低频率
最高频率
2．产生三角波的原理图
三角波发生电路原理图
三角波发生电路的波形图
（1）工作原理
电路的第二级是一个积分器，用于输出三角波。

当电路的第一级输出的方波信号U
O1
送入该级电路后，由该级电路对信号进行积分变换以后，产生三角波信号U
O2。

U
O2
分成
两路，一路输入第三级电路，另一路反馈回滞回比较器，作为滞回比较器的V
REF。

第二级电路的输出电压幅度为：
+U
O2
＝R1/R2U Z＝+ U Z＝2.5(V)
-U O2＝-(R1/R2U Z)＝- U Z＝-2.5（V）
电路的频率调节由改变滑动变阻器Rw1的阻值来实现，振荡周期可由以下的公式求得：
T＝4R
1Rw1C
1
/ R2
理论上，可以计算得出的频率调节范围为：最高频率：T＝4×10×103×0.1×10－6/(20×103)
T＝0.0002(ms)
f＝1/T＝1/0.0002＝5000（HZ)
最低频率：T＝4×10×103×50×103×0.1×10－6/(20×103)＝9.09（ms)
f＝1/T＝100(HZ)
所以电路理论上频率可调节的范围为100～5000(HZ),满足设计要求的200～3K（HZ)的
要求。

（2）实验仿真情况
最低频率
最高频率
3．产生正弦波的原理图
（1）工作原理
三角波变正弦波采用滤波电路，经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。

根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成的。

换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分，只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波
器或滤波电路。

其原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。

而该电路的频率较低，所以采用二阶低通滤波。

第三级电路的输出电压幅值为：
U
＝(-1/s Rw2C3)·U O2
O3
第三级电路的上限截止频率可调，调节RW2可以改变电路的上限截止频率，上限截止频率为：
f＝1/2π√C2C3RW2Rf
同时，当调节RW1改变电路频率时，会使正弦波发生失真，此时可调节RW2的阻值，
使正弦波不失真。

（2）实验仿真情况
最低频率
最高频率
四、PCB布版
考虑到第一次做电路板导线和间距都适当取大。

PCB版图
五、实物安装调试（一）测试波形
1．方波
2．三角波
3．正弦波
（二）测试数据
（三）实验结果分析
经测试，电路的设计与设计要求存在着差异，且电路的第三级的误差较大（其中正弦波的幅值误差与设计要求差异大）。

误差可能的原因有：1、由元器件的误差而引起的差异；
2、外界的干扰引起的；
3、可能是由于焊接工艺的问题。

为了减少误差，可以在电路的设计时选用精度更高的器件，并对电路做电磁屏蔽处理，以进一步改善电路的性能，减小电路的误差。

六、设计总结
我认为，在这学期的实践中，在收获知识的同时，还收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，在实践过程中，我们学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

在这期间，经过仿真、画SCH、画PCB复习了很多知识的同时也学习到了更多的知识。

到实践中心做板也增加了自己的动手能力。

可能比较幸运，做板一气呵成。

最重要的是我们没有放弃，它是我们的骄傲！相信以后我们会以更加积极地态度对待我们的学习、对待我们的生活。

我们的激情永远不会结束，我们会更加努力，努力的去弥补自己的缺点，发展自己的优点，去充实自己，只有在了解了自己的长短之后，我们会更加珍惜拥有的，更加努力的去完善它，增进它。

七、元器件清单。