4.1 信号发生器

一、设计任务与要求

1.1．设计任务与要求

⑴ 设计并制作能产生正弦波、矩形波（方波）和三角波（锯齿波）的函数发生器，

​ 本信号发生器可以考虑用专用集成芯片（如5G8038等）为核心实现。

⑵ 信号频率范围： 1Hz∽100kHz；

⑶　频率控制方式：

① 手控 通过改变RC参数实现；

​ ② 键控 通过改变控制电压实现；

​ ③ 为能方便地实现频率调节，建议将频率分档；

⑷ 输出波形要求

​ ① 方波 上升沿和下降沿时间不得超过200nS，占空比在48%∽50%之间；

​ ② 非线性误差≤2%；

​ ③ 正弦波 谐波失真度≤2%；

⑸ 输出信号幅度范围：0∽20V；

⑹ 信号源输出阻抗：≤1Ω；

⑺ 应具有输出过载保护功能；

⑻ 具有数字显示输出信号频率和电压幅值功能。

二、方案设计与论证

函数发生器一般是指能自动产生三角波、方波及锯齿波、正弦波等电压波形的电路。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是集成电路，也可以采用分立器件。

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。

方案一：

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。其输出频率能在20Hz-5kHz范围内连续调整，达到调试简单、性能稳定、使用方便等优点，使信号发生器电路大大简化。

方案二：

采用分立元件组成，运用运算放大器、电压比较器、积分运算电路、差分放大电路、选择开关、电位器和一些电容、电阻组成。第一级单元可以产生方波，第二级可以产生三角波，第三极可以产生正弦波，通过第二级的选择开关可以实现频率波段的转换，通过对差分放大电路部分元器件的调节来改善正弦波产生的波形。

分析以上两种方案，比较他们的利弊，方案一集成电路比分立元件要简单很多，精度也较高，温度稳定性和频率稳定性比较好，但由于频率与占空比不能单独调节，并且实验条件不允许，因此，采用方案二的分立元件来实现本次设计。

三、单元电路设计与参数计算

3.1. 总的原理框图及总方案

由原理图可知，先由一个比较器电路产生方波，然后再接上一个积分器，将产生的方波通过积分器，实现三角波的产生，在产生三角波的端口接上一个差分放大器，利用差分放大器传输特性曲线的非线性。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。总体来说就是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。

3.2.各组成部分的工作原理

一、方波——三角波转换电路的工作原理

1.产生方波的电压比较电路原理图如下:

2.积分电路的原理图如下：

3.差分放大电路原理图如下：

4.方波和三角波的转换电路如图

首先由运算放大器和一些电阻、电容组成电压比较器和积分器，从而产生方波。即运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C2为加速电容，可加速比较器的翻转；放大器A2与R4、RP2、C1及R5组成积分器，其输入信号为方波U01,则经过积分器后产生三角波。

​ ±UT=±(R2/(R3+Rp1)*Ucc

其中，（1）产生三角波的反向积分器的输入为方波U01：

则由积分公式

U0=-1/(R*C)*ò Ui dt,

得到，U02=-1/((R4+RP2)C2) ò U01 dt;

当U01=+VCC时，U02=-VCC*t/((R4+RP2)*C2),

当U01=-VEE时，U02=VCC*t/((R4+RP2)*C2),

故可知：积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波。

5.三角波和正弦波的转换电路图如下：

上图的Rp3调节三角波的幅度，Rp4调整电路的对称性，其并联电阻R12用来减小差分放大器的线性区。电容C3,C4,C5为隔直电容，C6为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。

其中，为使输出波形更接近正弦波，由三角波-正弦波变换原理图可知：

（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2）三角波的幅度U02应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

​

四、总原理图及元器件清单

4.1．总原理图

上图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。

4.2．元件清单

元件序号	型号	主要参数	数量	备注
R1、R2…R13		10千欧，100千欧，80千欧，6.8千欧…	共13个
C1、C2…C6		1uF, 10Uf, 470uF…	共六个
U1，U2			2个
Xsc1,xsc2			2个
Q1，Q2，Q3，Q4	NPN型号	2N2712	4个
RP1，RP2，RP3，RP4		1千欧，5.8千欧，47千欧，100千欧	共4个

五、安装与调试（没有进行安装调试的这部分写电路中参数的选择与计算）

5.1.方波—三角波之间转换的电路图如下：

参数选择：在电容C1、C2处放置了选择开关，可以满足课设要求的两个频率范围1～10Hz、10～100kHz：当开关选择C1=10uF ,取R4=5.1kW, RP2为100Ω电位器时，可以得到1～10Hz频率段范围； 当取C2=1μF，以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。平衡电阻R5=10kW时，可以得到10～100kHz

频率段范围。

5.2.三角波—正弦波之间转换电路图如下：

经电容C4输入差摸信号电压Uid=50v，F=100Hz正弦波。调节电阻RP4及电阻RP3,使传输特性曲线对称，且记录对应的Uid即Uidm值，调节RP3使三角波输出幅度经Rp3等于Uidm值，这 时 Uo3的输出波形应接近正弦波，调节C6大小可改善输出波形。

六、性能测试与分析（写仿真调试与分析）

6.1.产生方波的原理图：

得到的方波为：

6.2.方波与三角波之间的转换原理图：

所得到三角波形如下图：

6.3.三角波与正弦波之间的转换原理图：

得到的正弦波形：

七、结论与心得

第七周，是我们电子专业班继数电课程设计之后又一次比较大的课程设计，这对我们对之前所学习的知识起到了又一次的温习以及应用。

为了更好地完成这次的课程设计任务，首先我不得不开始温习之前学过的模电知识，查找相关资料，包括电子技术课程设计指导以及网上百度，偶尔有时候还会请教同学，帮我改善电路或者纠正某一个连接方式或者元器件的不正确……

在实验设计的过程中，让我进一步体会到了动手能力，以及新颖的思维方式的重要性，让我从中获益匪浅。对于这个课程设计，我的设计思路是：根据给出的几个功能及几个波形，分别利用电压比较器设计电路产生方波，设计积分器转换产生三角波，再设计差分放大电路产生正弦波……等步骤分模块去把它实现了，然后再进一步根据他们的元器件之间的联系连接起来，从而整体实现函数信号发生器这一课题所要求的功能。

在短短的几天实训中，不仅仅让我们动了手动了脑，更让我们体会到了理论与实际相结合的重要性，凭空的理论是站不住脚跟的，需要时间来验证。但是我们又不得不承认理论的重要性，理论是前提我们必须打好基础。

在这次的课程设计过程当中，我遇到了挺多的问题，首先是很多之前学过的知识都忘记了，特别是很多电路的计算公式也模糊了，所以不得不返回去大概重刷一下下课本。接着，根据课本上的一些可产生对应的方波，三角波，正弦波的电路图效仿连接上去，但是又要考虑参数问题。特别是，在完全连接好之后，调式的时候却没有波形出来，几经修改之后，决定改用multisim软件进行仿真调试，波形出来了！而且还发现，multisim软件的一个好处是里面的滑动变阻器可以滑动而改变阻值，而我之前用proteus软件的时候，找到的一些滑动变阻器都是固定不能滑动改变阻值的。

通过这次设计，既加深了对知识的理解、对模电电路逻辑设计知识的实践运用以及进一步熟悉地使用电路仿真软件，更让我深刻意识到了自己专业知识的不夯实性，更让我深刻意识到，在大学里，仅仅是专业理论知识获得高分是远远不够的，还要注重自己的动手实践能力。而通过这一次的课程设计，使我意识到自己知识面的狭隘，以及自己平时动手能力的有限性，这对我以后的学习和工作会起到一个很重要的作用的。

虽然我知道，可能由于我知识面局限的原因，在我的这次课程设计中还存在着挺多的不完善的地，但最重要的是，我思考了，我自己亲自动手去弄了。我坚信，这次的课程设计经验将会让我更加地明确自己以后的学习目标与学习方向，并为我以后对自己专业知识的学习打下了一个很重要的基础。

八、参考文献

[1]《电子技术课程设计指导》彭介华 主编 高等教育出版社出版；

[2]《模拟电子技术及应用》李继凯 主编 科学出版社出版。

注：

\1. 占空比: 占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值。

\2. 非线性误差:将仪器仪表等测量工具的输入、输出（测量、结果）分别作为直角坐标系的纵轴、横轴，选择适合的坐标轴，并将理想的输入输出对应点标入坐标，可以得到一条理想输入输出关系曲线。将实际的输入输出对应点标入坐标，可以得到一条实际输入输出关系曲线。最理想的情况下这两条曲线应该重合，实际上是不可能做到的，这时两条曲线之间的距离就是误差。如果这两条曲线形状完全一致，但不重合，例如一条曲线相当于另一条的平移或直线的斜率不同，这时的误差就是线性的，否则误差就是非线性误差。

非线性度误差的算法: 非线性误差=最大误差/量程。

谐波失真: 总谐波失真指音频信号源通过功率放大器时，由于非线性元件所引起的输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全线性造成的