波形发生器

一、设计目的

（1）进一步学习和掌握电子电路的工作原理，培养学生设计电子电路的能力；（2）学会使用Multisim11软件做仿真实验，修改、完善、验证和实现电路的设计方案；

（3）掌握波形发生器的结构。

二、设计任务和要求

要求：

1．设计内容为方波-三角波-正弦波函数发生器；

2．给定条件为采用双运放μA747运算放大器设计或其它电路完成。通过查找资料选定两个以上方案，进行比较论证，确定一个较好的方案。

3．设计参数-性能指标要求

（1）频率范围：100HZ∽1KHZ，1KHZ∽10KHZ；

（2）输出电压：方波U

P-P =24V，三角波U

P-P

=6V，正弦波U>1V；

波形特性：方波t

r

<10s(1KHZ，最大输出时)，三角波失真系数r< 2%，正弦波失真系数r<5%。

三、原理电路设计：

（1）方案的提出

方案一：

①先由文氏桥振荡产生一个正弦波信号（右图）

②把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比较器

从而把正弦波转换成方波。

③把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。

方案二：

①由比较器和积分器构成方波三角波产生电路。（下图）

②然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。

方案三：

①由比较器和积分器构成方波三角波产生电路。（电路图与方案二相同）

②用折线法把三角波转换成正弦波。(下图)

（2）方案的比较与确定

方案一：

文氏桥的振荡原理：正反馈RC网络与反馈支路构成桥式反馈电路。当R1=R2、时，F=1/3、Au=3。然而，起振条件为Au略大于3。实际操作时，C1=C2。即f=f

如果要满足振荡条件R4/R3=2时，起振很慢。如果R4/R3大于2时，正弦波信号顶部失真。调试困难。RC串、并联选频电路的幅频特性不对称，且选择性较差。因此放弃方案一。

方案二：

把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，就构成三角波发生器和方波发生器。比较器输出的风波经积分可得到三角波、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和方波发生器。

通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下使用。然而，指标要求输出频率分别为102H Z、103H Z和104Hz。因此不满足使用低通滤波的条件。放弃方案二。

方案三：

方波三角波发生器原理如同方案二。

比较三角波和正弦波的波形可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中，与三角波的差别越来越大;即零附近的差别最小,峰值附近差别最大。因此，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似与正弦波的折线化波形。而且折线法不受频率范围的限制，便于集成化。

综合以上三种方案的优缺点，最终选择方案三来完成本次课程设计。

四、单元电路设计（课本p49）

运算放大器U5A与R17、R15构成一个放大系数为10的反相比例运算放大电路。通过反相放大而达到峰峰值大于20V。

运算放大U4B构成三角波转换正弦波的三段折线法。当三角波幅值为0-0.28V时，反馈电阻为R8=27K。当三角波幅值增大到0.28到0.84V之间时。反馈电阻为R8//R16=11K。当三角波幅值大于0.84V时，反馈电阻为R8//R16//R7=80Ω。因此，通过电容C3的隔直与电位器R11的分压，选择幅值约为1.2V左右的三角波输入运算放大器U4B，再由三段折线法转换成近似与正弦波的折线化波形。（由计算机计算分析表明，三段折线法的折线化波形与正弦波相似95%）。由仿真软件得输出正弦波幅值约为1.25V。

最后，运算放大U3A为反相比例运算放大。由折线法转换得来的正弦波经过运算放大U3A的反相放大得到峰值为10.5V左右的正弦波。

（4）元件选择：

①选择集成运算放大器

由于方波前后沿与用作开关的器件U1A的转换速率SR有关，因此当输出方波的重复频率较高时，集成运算放大器A1应选用高速运算放大器。

集成运算放大器U2B的选择：积分运算电路的积分误差除了与积分电容的质量有关外，主要事集成放大器参数非理想所致。因此为了减小积分误差，应选用输入失调参数（VI0、Ii0、△Vi0/△T、△Ii0/△T）小，开环增益高、输入电阻高，开环带较宽的运算放大器。

反相比例运算放大器要求放大不失真。因此选择信噪比低，转换速率SR高的运算放大器。

经过芯片资料的查询，TL082双运算放大转换速率SR=14V/us。符合方波产生电路。而U2B选择通用型的LM741.两个反相比例运算放大选择号称“音响之皇”的NE5532低噪运算放大器。该双运算放大转换速率SR=9V/us。

②选择稳压二极管

稳压二极管Dz的作用是限制和确定方波的幅度，因此要根据设计所要求的方波幅度来选稳压管电压Dz。为了得到对称的方波输出，通常应选用高精度的双向稳压管

③电阻为1/4W的金属薄膜电阻。

④电容为普通瓷片电容与电解电容。

⑤开关为自锁式单刀三掷开关。

四、电路调试过程与结果：

波形频率：

通过精确电位器R5、R19、R20使得三种波形频率连续可调。因此频率100、1000、10000Hz

理论设计数据方波峰峰值

理论设计数据三角波峰峰值：

理论设计数据正弦波峰峰值：

误差分析

a.电阻的误差为5%，这是造成误差主要原因。

b.仿真所加电压18V,实测时芯片所加电压为16V。

c.示波器读数时的误差。

五、总结

优点：①设计作品输出波形基本不失真

②波形频率达到100、1000、10000Hz。并且在100-10000Hz的范围

内连续可调。

③波形峰峰值皆大于20V。符合了设计要求的全部指标。

④焊接板排版缜密，焊接没有跳线。

缺点：①方波在频率为10000Hz时峰峰值转换时差为5-6us。导致方波出现了失真。

②正弦波由折线法把三角波折线而来。导致了其还存在一定的差别。

③电路的电源输入由于没有保护电路。在调试时正负电源接反而把芯

片烧了。

针对3个缺点各自的改进方案：

缺点1：把方波产生电路的运算放大换成超高转速的集成运算放大

器。例如：LM318H

缺点2：本设计是由三段折线法把三角波转换成正弦波的。为使产生

的折线化波形更加接近正弦波，可以用4段折线法或者5

段甚至6段。

缺点3：在电源接入端加上二极管保护电路（右图），

这样即可以保证正负电源接反时不导通，

又可以在把直流电源电错接成交流电时起

整流桥的作用。