波形发生器函数信号发生器设计课程设计

目录

一、设计要求------------------------------------------------2

二、设计的作用与目的------------------------------------2

三、波形发生器的设计------------------------------------3

1、函数波形发生器原理和总方案设计-------------------3

2、方案选择及单元电路的设计---------------------------5

3、仿真与分析----------------------------------------------9

4、PCB版电路制作-----------------------------------------13

四、心得体会-----------------------------------------------15

五、参考文献-----------------------------------------------16附录

波形发生器的设计电路

函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。

一、设计要求

设计一台波形信号发生器，具体要求如下：

1.该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波。

2.指标：输出波形：正弦波、三角波、方波。

频率范围：1Hz~10Hz，10Hz~100Hz ,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz。

输出电压：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P＞1V；

3.频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率。

4.用分立元件和运算放大器设计的波形发生器要求用EWB进行电路仿真分析，然后进行安装调试。

二、设计的作用与目的

1.通过这次课程设计从而掌握方波——三角波——正弦波函数发生器的原理及设计方法。

2.掌握迟滞型比较器的特性参数的计算。

3.学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。

4.能够使用电路仿真软件进行电路调试。

三、波形发生器的设计

1、函数波形发生器原理和总方案设计

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，波形发生器电路可以采用不同的电路形式和元器件实现。有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是运算放大器和分立元件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用单片专用集成芯片设计(如单片函数发生器模块8038)。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

下面就对各种方案原理进行分析：

1.1 采用运算大放器和分立元件构成

用运算放大器设计波形发生器电路的关键部分是振荡器，而设计振荡电路的关键是选择器件确定振荡电路的形式，以及确定元件参数值等。

①用正弦振荡器实现多种波形发生器

用正弦振荡器产生正弦波，正弦波信号通过变换电路（例如用施密特触发器）得到方波输出。其主要特点是采用串--并联网络作为选频网络和正反馈网络。它的振荡频率为f=1/2πRC，改变RC的值，可以得到不同频率的正弦波信号。为了输出电压的稳定，必须采用相应的稳幅措施。

此方案原理框图如图1所示。

图1 用正弦振荡器实现多种波形发生器原理框图

②用多谐振荡器实现多种波形发生器

利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变成三角波输出，用差分放大电路将三角波变成正弦波输出，也可以采用二极管折线电路近似实现三角波—正弦波的转换。也可以使方波进过滤波电路得到正弦波输出，同时方波经积分电路可得到三角波输出。

此方案原理框图如图2所示。

图2 用多谐振荡器实现多种波形发生器原理框图

1.2用单片函数发生器5G8038构成多功能波形发生器

前面几种方法都是用分立元件或部分集成器件组成的信号产生电路，随着集成制造技术的不断发展，信号发生器已经被制造成专用集成电路。目前用的较多的集成函数发生器使5G80438。

2 方案选择及单元电路的设计

本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法，先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，最后通过差分放大器形成

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。

此方案设计起来简单方便，其中比较起于积分电路和反馈网络组成多谐振荡器，其中比较器中产生的方波通过积分电路变换成三角波，电容充放电时间决定三角波的频率。差分放大器具有工作点稳定，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。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。

经过仿真得出了方波、三角波、正弦波，方波——三角波转换及三角波——正弦波转换的波形图。

下面介绍由集成运算放大器及分立元件组成方波---三角波---正弦波波形发生器的设计步骤。

其电路框图如图3所示

图3 波形发生器电路原理框图

2.1 方波的产生

①方波发生电路的工作原理：

在一般原理上分析，可以在滞回比较器电路的基础上，靠正反馈和RC 充放电回路组成方波发生器。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。

由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平和低电平。两种不同的输出电平时RC电路进行充电或放电，于是电容

上的电压将升高或降低，而电容上的电压由作为滞回比较器的输入电压控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路有充电过程变为放点过程或相反。如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。

方波发生电路中运算放大器接成同相输入滞回比较器型式，由这一端口反馈引入三角波信号，触发滞回比较器自动翻转形成方波信号，方波信号从运算放放大器输出端输出。

②方波发生器元件参数的选择：

运算放大器A1，A2选择双运算集成放大路，LM747（也可以选其他合适的运放），采用双电源供电+Vcc=12V，—Vcc= —12V。一起到稳定方波电压在12V 的目的。

2.2 三角波的产生

①三角波发生电路原理：

为了得到线性度比较好的三角波，可以将前面所得方波进行积分以后得到，需要一个积分电路产生三角波。

由于设计任务要求频率要求范围分别为：1 Hz ——10 Hz，10 Hz——100 Hz，100 Hz——1 kHz，1 kHz——10 kHz4个波段，故电路的设计必须改进符合设计要求，即可以手动调节波形的频率。为了实现品路的调节，需对其电阻及其电容加以调节，采用多个电容的使用选择。