函数信号发生器设计

四川师范大学成都学院广播电视方向课程设计函数信号发生器设计
学生姓名杨媛媛
学号**********
所在学院通信工程学院
专业名称通信工程
班级2012级广电班
指导教师周永强
成绩
四川师范大学成都学院
二○一五年六月
函数信号发生器设计
学生:杨媛媛指导教师:周永强
内容摘要:在现代电子学的各个领域，常常需要高精度且频率可方便调节的信号发生器。

种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路称为函数信号发生器，又名信号源或振荡器。

函数信号发生器与正弦波信号发生器相比具有体积小、功耗少、价格低等优点, 最主要的是函数信号发生器的输出波形较为灵活, 有三种波形（方波、三角波和正弦波）可供选择，在生产实践，电路实验，设备检测和科技领域中有着广泛的应用。

该函数信号发生器可产生三种波形，方波，三角波，正弦波，具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能，其产生频率信号范围1HZ～100kHZ，输出信号幅值范围0～10V，信号产生电路由比较器，积分器，差动放大器构成，频率计部分由时基电路、计数显示电路等构成。

幅值输出部分由峰值检测电路和芯片7107等构成。

关键词:信号发生器比较器积分器 ADC芯片
Design of function signal generator
Abstract: In all areas of modern electronics, often requiring high accuracy and frequency of the signal generator can be easily adjusted. Waveforms curve can use trigonometric equation to represent. It can produce a variety of waveforms, such as triangular wave, sawtooth wave, square wave (including square), the circuit is called a sine function signal generator, also known as the signal source or oscillator. Function signal generator with sine wave signal generator, compared with small size, less power consumption, and low price, the most important function of the output waveform signal generator is more flexible, there are three waveforms (square, triangle wave and sine ) to choose from, with a wide range of applications in production practice, circuit test, test equipment and technology fields.
The function generator can produce three waveform, square wave, triangle wave, sine wave, with a digital display output signal frequency and voltage amplitude function, which generates a frequency signal range of 1HZ ~ 100kHZ, the output signal amplitude range of 0 ~ 10V, signal generating circuit consists of a comparator, an integrator, a differential amplifier, frequency meter part by the time base circuit, counting display circuit and the like. Amplitude of the output section consists of a peak detector circuit and chip 7107 and so on.
Keywords:signal generator comparator integrator ADC chip
目录
一信号发生器 (1)
1.1 信号发生器的简介 (1)
1.2 工作原理 (2)
1.3 信号发生器的分类 (2)
1.4 信号器的应用及作用 (4)
1.4.1 应用 (5)
1.4.2 作用 (5)
2 函数信号发生器 (5)
2.1 实现方法 (5)
3 函数信号器的方案设计，并对其比较 (7)
3.1 概述 (7)
3.2 方案一 (8)
3.3 方案二 (8)
3.4 方案比较与选择 (8)
4 各组成部分的工作原理 (8)
4. 1 方波发生电路 (8)
4.2 三角波发生电路 (10)
4.3 正弦波发生电路 (12)
4.4 方波---三角波转换电路的工作原理 (13)
4.5 方波—正弦波转换原理 (16)
5 总原理图及元器件清单 (16)
5.1 总原理图 (16)
5.2 元器件清单 (18)
6 结束语 (19)
函数信号发生器设计
一信号发生器
1.1 信号发生器的简介
信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。

在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性与参数时，用作测试的信号源或激励源。

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源。

也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。

在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。

当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。

当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。

并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。

信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。

正弦信号是使用最广泛的测试信号。

这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。

正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。

内部带有扫频输出功能(全频段扫频时间小于5秒)
是指低频信号发生器具有从低频开始到高频(或反之)自动变化的功能即100Hz——20KHZ 中间所有频率的低到高或高到低的变化过程，而这一次过程的时间为5秒。

带有外部扫频控制输入接口（控制信号为电压0-5V，控制电流小于1mA）
是指低频信号发生器所输出的频率可以由外部进行控制（有外部控制接口），外部控制频率变化的电压是0-5V，控制电流小于1mA。

当外部控制电压在0-5V变化时，低频信号发生器可以输出可以在100HZ到20KHZ之间变化。

1.2 工作原理
信号发生器用来产生频率为20Hz～200kHz的正弦信号（低频）。

除具有电压输出外，有的还有功率输出。

所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。

另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。

低频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。

主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。

1.3 信号发生器的分类
正弦信号发生器
正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。

按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。

低频信号发生器
包括音频（200～20000赫）和视频（1赫～10兆赫）范围的正弦波发生器。

主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。

为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。

高频信号发生器
频率为 100千赫～30兆赫的高频、30～300兆赫的甚高频信号发生器。

一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。

主要用途是测量各种接收机的技术指标。

输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。

微波信号发生器
从分米波直到毫米波波段的信号发生器。

信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。

仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。

简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能
将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。

扫频和程控信号发生器
扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。

在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。

扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。

频率合成式信号发生器
这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。

输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。

频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。

直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。

用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。

这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。

高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。

函数发生器
又称波形发生器。

它能产生某些特定的周期性时间函数波形（主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号。

频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。

除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

产生上述波形的方法之一，将积分电路与某种带有回滞特性的阈值开关电路（如施米特触发器）相连成环路，积分器能将方波积分成三角波。

施米特电路又能使三角波上升到某一阈值或下降到另一阈值时发生跃变而形成方波，频率除能随积分器中的RC值的变化而改变外，还能用外加电压控制两个阈值而改变。

将三角波另行加到由很多不同偏置二极管组成的整形网络，形成许多不同斜度的折线段，便可形成正弦波。

另一种构成方式是用频率合成器产生正弦波，再对它多次放大、削波而形成方波，再将方波积分成三角波和正、负斜率的锯齿波等。

对这些函数发生
器的频率都可电控、程控、锁定和扫频，仪器除工作于连续波状态外，还能按键控、门控或触发等方式工作。

脉冲信号发生器
产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。

主控振荡器通常为多谐振荡器之类的电路，除能自激振荡外，主要按触发方式工作。

通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲，以便提前触发示波器等观测仪器，然后再经过一段可调节的延迟时间才输出主信号脉冲，其宽度可以调节。

有的能输出成对的主脉冲，有的能分两路分别输出不同延迟的主脉冲。

随机信号发生器
随机信号发生器分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。

噪声信号发生器完全随机性信号是在工作频带内具有均匀频谱的白噪声。

常用的白噪声发生器主要有：工作于1000兆赫以下同轴线系统的饱和二极管式白噪声发生器；用于微波波导系统的气体放电管式白噪声发生器；利用晶体二极管反向电流中噪声的固态噪声源（可工作在18吉赫以下整个频段内）等。

噪声发生器输出的强度必须已知，通常用其输出噪声功率超过电阻热噪声的分贝数（称为超噪比）或用其噪声温度来表示。

噪声信号发生器主要用途是：①在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统的性能；②外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数；③用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测试系统的动态特性。

例如，用白噪声作为输入信号而测出网络的输出信号与输入信号的互相关函数，便可得到这一网络的冲激响应函数。

伪随机信号发生器
用白噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，则会出现统计性误差，这可用伪随机信号来解决。

当二进制编码信号的脉冲宽度墹T足够小，且一个码周期所含墹T 数N很大时，则在低于f a=1/墹T的频带内信号频谱的幅度均匀，称为伪随机信号。

只要所取的测量时间等于这种编码信号周期的整数倍，便不会引入统计性误差。

二进码信号还能提供相关测量中所需的时间延迟。

伪随机编码信号发生器由带有反馈环路的n级移位寄存器组成，所产生的码长为N=2-1。

1.4 信号器的应用及作用
信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

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。

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、生物医学等领域内，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。

高频、超高频和微波信号发生器已形成标准信号发生器系列，不但实现了固态化，而且出现了合成信号发生器和程控信号发生器等；在频率的范围、精度、稳定度、分辨力以及输出电平的范围、精度、频响、频谱纯度等性能方面，都在不断地提高。

带有微处理器的合成高频信号发生器，其频率、输出、调制等的控制已全部键盘化，并有6位数字显示。

1.4.2 作用
信号发生器的作用——信号调制功能:信号调制是指被调制信号中，幅度、相位或频率变化把低频信息嵌入到高频的载波信号中，得到的信号可以传送从语音、到数据、到视频的任何信号。

信号调制可分为模拟调制和数字调制两种，其中模拟调制，如幅度调制(AM)和频率调制(FM)最常用于广播通信中，而数字调制基于两种状态，允许信号表示二进制数据。

2 函数信号发生器
2.1 实现方法
（1）用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试
（2）可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。

早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。

鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038，它克服了（2）中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。

MAX038频率高、精度好，因此它被称为
高频精密函数信号发生器IC。

在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。

（4）利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。

但成本较高。

产生所需参数的电测试信号仪器。

按其信号波形分为四大类：①正弦信号发生器。

主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。

按其不同性能和用途还可细分为低频（20赫至10兆赫）信号发生器、高频（100千赫至300兆赫）信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。

②函数（波形）信号发生器。

能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。

除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。

③脉冲信号发生器。

能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

④随机信号发生器。

通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。

噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能；外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数；用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。

当用噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。

产生器
信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。

众所周知，数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比（S/N）均优于模拟，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态，但毕竟是数字式信号源，数字电路与模拟电路之间的干扰，始终难以有效克服，也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器。

这是通用模拟式函数信号发生器的结构，是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正弦波整型电路产生正弦波，同时经由比较器的比较产生方波。

而在占空比调整上的设计有下列两种思路：
1、频率（周期）不变，脉宽改变，其方法如下：
改变电平的幅度，亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性，但其最主要的缺点是占空比一般无法调到20[%]以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动，如果要将此信号用来作模数（A/D)转换，那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。

但不容否认的在使用上比较好调。

2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下：
将方波产生电路比较器的参考幅度予以固定（正、负可利用电路予以切换），改变充放电斜率，即可达成。

这种方式的设计一般使用者的反应是“难调”，这是大缺点，但它可以产生10[%]以下的占空比却是在采样时的必备条件。

以上的两种占空比调整电路设计思路，各有优缺点，当然连带的也影响到是否能产生“像样的”锯齿波。

接下来PA（功率放大器）的设计。

首先是利用运算放大器（OP) ，再利用推拉式(push-pull)放大器（注意交越失真Cross-distortion的预防）将信号送到衰减网路，这部分牵涉到信号源输出信号的指标，包含信噪比、方波上升时间及信号源的频率响应，好的信号源当然是正弦波信噪比高、方波上升时间快、三角波线性度要好、同时伏频特性也要好，（也即频率上升，信号不能衰减或不能减太大），这部分电路较为复杂，尤其在高频时除利用电容作频率补偿外，也牵涉到PC板的布线方式，一不小心，极易引起振荡，想设计这部分电路，除原有的模拟理论基础外尚需具备实际的经验，“Try Error”的耐心是不可缺少的。

PA信号出来后，经过π型的电阻式衰减网路，分别衰减10倍（20dB)或100倍（40dB),此时一部基本的函数波形发生器即已完成。

（注意：选用π型衰减网络而不是分压电路是要让输出阻抗保持一定）
3 函数信号器的方案设计，并对其比较
3.1 概述
通过集成运放构成迟滞比较器、积分器和低通滤波电路，依次分别输出方波、三角波、正弦波。

通过调节电压源或滑动变阻器，可改变波形的幅值和频率。

二、方案设计与论证
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，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(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。

3.2 方案一
采用分立器件实现电路组成，主要的部件有双运放uA741运算放大器、电压比较器、积分运算电路、二阶低通滤波电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。

该方案由三级单元电路组成的，第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三级可以产生正弦波。

3.3 方案二
采用集成电路实现，主要部件有高速运算放大器LM318、单片函数发生器模块5G8038、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。

该方案通过调节不同电位器可调节函数发生器输出振荡频率大小、占空比、正弦波信号的失真，可产生精度较高的方波、三角波、正弦波，且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。

3.4 方案比较与选择
方案二采用芯片虽然精度较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便，也无法满足高频精密信号源的要求。

uA741是美国仙童公司较为早期的产品,由于其性能完善,如差模电压范围和共模电压范围宽,增益高,不需外加补偿,功耗低,负载能力强,有输出保护等,因此具有较广泛的应用。

uA741这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作，可以方便的输出精度较高的方波、三角波、正弦波。

综上所述，本课题选用方案一.
4 各组成部分的工作原理
4. 1 方波发生电路
从一般原理来分析,可以在滞回比较器电路的基础上,靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路,由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态，高电平或低电平，两种不同的输出电平式RC电路进行充电和放电，于是电容上的电压降升高或降低，而电容的电压又作为滞。