模拟电子课程设计--波形信号发生器

模拟电子课程设计--波形信号发生器

模拟与数字电子技术课程设计报告设计课题：波形信号发生器

专业班级：电子信息工程1002

学生姓名：

指导教师：

设计时间：

题目：信号发生器

摘要

信号发生器又称为波形发生器，是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工电子实验室中经常使用的电子仪器之一。信号发生器可以有多种实现方法，而频率越高产生波形越多的信号发生器越好，可以从信号发生器的制作条件及使用领域方面考虑其实现方法数字系统中需要的特殊信号，如方波、三角波等，例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。波形发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。

关键词：正弦波；方波；三角波；低频信号源

引言：信号发生器是科研、教学、制造业中一种最常用的通用仪器，输出波形一般固定为正弦波、三角波、锯齿波和方波，不能实现有时在实验或工程应用中需要的特殊信号给用户使用带来不便。虽然目前市场上的高性能的任意信号发生器已经出现，但是价格昂贵，对于一般机电控制的用户而言频带不需要很宽。所以一种既能满足一定频率和波形性能要求又价格低廉的超低频任意信号发生器就成为了一种需求。本课题提出一种既能满足使用要求又价格低廉的原理样机设计方案，并对原理样机的性能提出了改进方案。

1设计任务与要求

（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能；

（2）正弦波幅值±10V，方波幅值±10V；

（3）三角波峰-峰值20V，各种输出波形幅值在一定范围内可调；

（4）输出波形工作频率范围为100HZ~10KHZ，且连续可调。

2方案设计与论证

方案一∶

采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 方案二∶

采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO ）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。 方案三：

经过思考和讨论，信号发生器主要应用运算放大器组成的滞回比较器积分器和带通滤波器来产生各种信号。这种方法调试方便，功能完备，可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。

图1. 正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图

文氏电桥正弦波

发生器

电压比较器产生方波 积分电路产生三角

幅度控制

频率控制

RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。

利用文氏电桥反馈型振荡电路产生正弦波，并通过调节选频网络中的RC值来达到频率的控制，接着在发生器后串上一放大电路从而达到幅值的控制；方波的产生利用电压比较器产生，占空比利用改变参考电压来控制，而幅值的控制则在输出端串接一个滑动变阻器来实现，十分方便；三角波则利用积分电路来产生，串接放大电路从而达到幅值的控制。

3单元电路设计与参数计算

3.1单元电路设计

(1)正弦波发生电路的工作原理

图2. 正弦波发生器原理图

图3. 正弦波发生器工作波形

正弦波发生器电路如图2所示，它由放大电路即运算放大器与反馈网络、选频网络、稳幅环节组成。运算放大器施加负反馈就为放大电路的工作方式，施加正反馈就为振荡电路的工作方式。图中电路既应用了经由R3和R4的负反馈，也应用了经由串并联RC 网络的正反馈。电路特性取决于是正反馈还是负反馈占优势。

（2）正弦波—方波转换电路的工作原理

图4. 方波发生器原理图

图5. 方波发生器工作波形

正弦波转换为方波，采用了电压比较器，通过与反相端输入的参考电压比较输出方波波形，调节参考电压可以改变方波占空比；方波幅值要达到±10V可调则在比较器输出端串接滑动变阻器来调节方波幅值。

（3）方波—三角波转换电路的工作原理

图6. 方波产生三角波原理图

图7. 三角波发生器工作波形

方波转换成三角波，采用积分电路，并通过正向放大器使其幅值可调。

3.2参数计算

① 和频率有关参数的设计

根据稳定振荡条件：

RC f π21

0=,在选频网络中，选择nF C 1=,根据频率

的变化范围HZ HZ 1000100-计算可变电阻C 值如下;

HZ

CR f 10021

max

100==

π

Ω

=⨯⨯⨯=

-M R 59.110110021

9max π 同理

Ω=⨯⨯⨯=

==-K R KHZ

CR f 9.151010001021

1021

9

min min

1000ππ

所以选择滑动变阻器的范围在MHZ 59.10-之间变化,与nF 1电容并联，而且保持两个滑动变阻器同时变化。 ② 负反馈回路参数设计