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一、设计任务与要求

1）设计目的

• 1、理解分立元件构成的信号发生器的原理

• 2、掌握信号发生器的设计方法和仿真测试。

2）设计要求

基本要求：

• A、电路能输出正弦波、方波和三角波、锯齿波四种波形；

• B、输出信号的频率要求可调；

• C、拟定测试方案和设计步骤；

• D、根据性能指标，计算元件参数，选好元件，设计电路并画出电路图；

• E、用Multisim进行仿真测试，测量输出信号的幅度和频率；

• F、写出设计报告。

3）技术指标

频率范围：100Hz-1KHz，1Kz-10KHz；输出电压：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=6V， 锯齿波VP-P=6V，正弦波VP-P=2V；方波tr小于1uS。

4）设计提示

方案提示：设计方案可先产生方波-三角波，再将三角波变成正弦波和锯齿波。如 下框图所示。

设计用主要器件**：双运放uA747（或7412）若干、差分管3DG100**若干；电阻电容若干。

5）设计报告要求

• 1、采用分立元件进行设计和仿真测试；

• 2、拟出设计步骤，画出设计电路，分析并计算主要元件参数值；

• 3、画出仿真电路，给出仿真波形和仿真数据；

• 4、列出测试数据表格；

• 5、进行分析和总结，设计报告要求条理清楚、文字流畅、图文并茂、语言通顺、格式规范，字数不少于8000字。

二、方案设计与论证

图 1 方波、三角波、正弦波、锯齿波信号发生器的原理框图

​ 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，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及试验调试技术，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（锯齿波）函数发生器的设计方法。

​ 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 (如双运放uA747（或7412）)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术， 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。

​ 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。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设 计方法。

本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：

​ 由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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。

​ 使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及试验调试技术，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—–锯齿波函数发生器的设计方法。

三、单元电路设计与参数计算

3.1方波发生电路的工作原理

​ 此电路由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成。 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。设某一时刻输出电压 Uo=+Uz, 则同相输入端电位 Up=+UT 。Uo 通过 R3 对电容 C 正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位 n 随时间 t 的增长而逐渐增高，当 t 趋于无穷时， Un 趋于 +Uz ；但是，一旦 Un=+Ut, 再稍增大， Uo 从+Uz 跃变为 -Uz, 与此同时 Up 从+Ut 跃变为 -Ut 。随后， Uo 又通过 R3 对电容 C 反向充电，如图中虚线箭头所示。 Un 随时间逐渐增长而减低，当 t 趋于无穷大时， Un 趋于-Uz ；但是，一旦 Un=-Ut, 再减小， Uo 就从 -Uz 跃变为 +Uz ， Up 从-Ut 跃变为 +Ut ，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

3.2方波—三角波转换电路的工作原理

方波—三角波产生电路

压传输特性

若 a 点断开，运算发大器 A1 与 R1、R2 及 R3、RP1 组成电压比较器，C1 为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0 ，同相输入端接输入电压Uia ，R1 称为平衡电阻。比较器的输出Uo1 的高电平等于正电源电压 +Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（ |+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1 从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平 Vee 跳到高电平Vcc 。设 Uo1=+Vcc, 则

将上式整理，得比较器翻转的下门限电位

若 Uo1=-VEE, 则比较器翻转的上门限电位为：

比较器的门限宽度

由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图所示：

a 点断开后，运放 A2与 R4、RP2、C2 及 R5 组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1 ，则积分器的输出

当U01=+Vcc时

当U01=-Vcc时

可见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，其波形关系下图所示。

a 点闭合，既比较器与积分器首尾相连， 形成闭环电路， 则自动产生方波-三角波。 三角波的幅度为

方波 -三角波的频率f 为

由以上两式可以得到以下结论：

1.电位器 RP2 在调整方波 -三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。若要求输出频率的范围较宽，可用 C2 改变频率的范围， PR2 实现频率微调。

2.方波的输出幅度应等于电源电压 +Vcc 。三角波的输出幅度应不超过电源电压 +Vcc 。电位器 RP1 可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。

3.3 三角波 — 正弦波转换电路的工作原理

三角波——正弦波

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， 可以有效的抑制零点漂移， 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。分析表明，传输特性曲线的表达式为：

Ic1=aIE1=aIo/[1+e(-Uid/UT)]

如果 Uid 为三角波，设表达式为

式中：

Um——三角波的幅度；

T——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

（1） 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；

（2） 三角波的幅度 Um 应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

（3） 图为实现三角波——正弦波变换的电路。其中 Rp1 调节三角波的幅度， Rp2 调整电路的对称性，其并联电阻 RE2 用来减小差分放大器的线性区。 电容 C1,C2,C3 为隔直电容， C4 为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输 出波形。

三角波—正弦波变换电路

3.4 电路的参数选择及计算

1.方波- 三角波中电容 C1变化（关键性变化之一）

实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将 C2从 10uf （理论时可出来波形）换成 0.1uf 时，顺利得出波形。实际上，分析一下便知当 C2=10uf 时，频率很低，不容易在实际电路中实现。

运放A1与A2用741，因为方波的幅度接近电源电压+VCC=+12V,-VEE=-12V.
比较器A1与积分器A2的元件参数计算如下。

由式得：

由式（3-2-9）得：

3.5 三角波 – 正弦波部分

差分放大器元件参数确定

取RC1=RC2=10 KΩ,RB1=RB2=6.8 KΩ,取I0=1.1mA, 而
I0=(RE4/RE3)IREF
IREF=VEE-UBE/(RE4+R)=12-0.7/RE4+R
取RE4=R=20 KΩ,代入(3-4-2)，得IREF=0.28 mA，将IREF=0.28 mA代入，得RE3=5 KΩ

四 总原理图及元器件清单

4.1 总原理图

三角波 -方波-正弦波函数发生器实验电路

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

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— 三角波发生电路的安装与调试

5.1.1 按装方波——三角波产生电路

• 1 把两块 741 集成块插入面包板，注意布局；

• 2 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

• 3 按图接线，注意直流源的正负及接地端。

5.1.2 调试方波——三角波产生电路

• 1.接入电源后，用示波器进行双踪观察；

• 2.调节 RP1，使三角波的幅值满足指标要求；

• 3.调节 RP2，微调波形的频率；

• 4.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。

5.2 三角波 — 正弦波转换电路的安装与调试

5.2.1 按装三角波——正弦波变换电路

• 1.在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线；

• 2.搭生成直流源电路，注意 R* 的阻值选取；

• 3.接入各电容及电位器，注意 C6 的选取；

• 4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

5.2.2 调试三角波——正弦波变换电路

1.接入直流源后，把 C4 接地，利用万用表测试差分放大电路的静 态工作点；

2.测试 V1 、V2 的电容值，当不相等时调节 RP4 使其相等；

3.测试 V3 、 V4 的电容值，使其满足实验要求；

4.在 C4 端接入信号源， 利用示波器观察， 逐渐增大输入电压， 当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；

5.3 总电路的安装与调试

1.把两部分的电路接好，进行整体测试、观察

2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即使正弦 波的峰峰值大于 1V 。

5.4 调试中遇到的问题及解决的方法

方波 -三角波 -正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的 ,在装 调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级装调与级联。

1.方波 -三角波发生器的装调

由于比较器 A 1 与积分器 A 2 组成正反馈闭环电路， 同时输出方波 与三角波， 这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器 RP1 与 RP2 之前，要先将其调整到设计值，如设计举例题中，应先使 RP1=10K Ω ,RP2 取（ 2.5-70 ）KΩ 内的任一值 , 否则电路可能会不起 振。只要电路接线正确，上电后， UO1 的输出为方波， UO2 的输出为 三角波，微调 RP1, 使三角波的输出幅度满足设计指标要求有，调节 RP2，则输出频率在对应波段内连续可变。

2.三角波 — 正弦波变换电路的装调

按照图 3— 75 所示电路，装调三角波 — 正弦波变换电路，其中差分发 大电路可利用课题三设计完成的电路。电路的 调试步骤如下。

• （1）经电容 C4 输入差摸信号电压 Uid=50v ，Fi =100Hz 正弦波。 调节 Rp4 及电阻 R*, 是传输特性曲线对称。在逐渐增大 Uid 。直 到传输特性曲线形状入图 3— 73 所示，记 下次时对应的 Uid 即 Uidm 值。移去信号源，再将 C4 左段接地，测量差份放大器的 静态工作点 I0 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.

• （2）Rp3 与 C4 连接， 调节 Rp3 使三角波俄 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。

• (3)性能指标测量与误差分析

1.放波输出电压是因为运放输出极有 PNP 型两种晶体组成复合互补对 称电路，输出方波时，两管轮流截止与饮和导通，由于导通时输出电阻的 影响，使方波输出度小于电源电压值。

2.方波的上升时间 T，主要受预算放大器的限制。如果输出频率的限制。 可接俄加速电容 C1，一般取 C1 为几十皮法。用示波器或脉冲示波 器测量 T.

5.5 静态调试

整个电路连接完之后，就可以对该电路进行调试和检测了，以发现和纠正 设计方案的不足之处。在进行调试和测试之前，首先要对电路进行检查。 对照原理图按顺序一一检查，以免产生遗漏。以元件作为中心进行检查， 把每个元器件的引脚依次检查，看是否有接错线或者漏接等问题，为了防 止出现错误，最好对已经检查好的线路在原理图上做好标记，倘若线路检 查无误，则可以对线路进行调试和测试了。

用万用表适当的档位对线路进行测试，看线路是否有短路或者断路等问题，如果出现错误，就立即进行改进，修改再进行调试。

5.6 动态调试

5.6.1 方波—三角波发生器的调试

由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭环电路，同时输出方波和正弦波，所以这两个单元电路可以同时安装。但是需要注意的是，在安装电位器RP1与RP2之前，要先将其调整到设计值，否则会导致电路不起振。如果电路接线正确。则在接通电源后，A1输出为方波，A2输出为三角波，微调RP1，使三角波的输出幅度满足设计指标要求，调节RP2，则输出频率连续可变。

5.6.2 三角波—正弦波发生器的调试

六 性能测试与分析（写仿真调试与分析）

调试中的注意事项：
为了保证效果，必须减小测量误差，提高测量精度。为此，需注意以下几点：

• (1) 正确使用测量仪器的接地端

• (2) 测量电压所用仪器的输入端阻抗必须远大于被测处的等效阻抗。因为，若测量仪器输入阻抗小，则在测量时会引起分流给测量结果带来很大的误差。

• (3 )仪器的带宽必须大于被测电路的带宽。

• (4) 用同一台测量仪进行测量进，测量点不同，仪器内阻引起的误差大小将不同。

• (5) 调试过程中，不但要认真观察和测量，还要记录。记录的内容包括实验条件，观察的现象，测量的数据，波形和相位关系等。只有有了大量的可靠实验记录并与理论结果加以比较，才能发现电路设计上的问题，完善设计方案。

• (6) 调试时出现故障，要认真查找故障原因，切不可一遇故障解决不了的问

题就拆掉线路重新安装。因为重新安装的线路仍可能存在各种问题。我们应该认真检查。调试结果是否正确，在很大程度上受测量正确与否和测量精度的影响。

七 结论与心得

​ 为期几天的课程设计已经结束，在这几天的学习、设计、及电路搭建过程中我感触颇深。使我 对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试； 熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、搭建方法；以及如何提高电路的性能等等。 通过对函数信号发生器的设计，我还深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重 要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且 也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用 的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何

​ 运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以 及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试 是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老 师要求我们加以提高的一个重要方面吧！

​ 其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接 好电路后测试出波形的那种喜悦，体会到成功来自于汗水，体会到成果的来之不易。 在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啦。实验中暴露 出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。 还有值得我们自豪的就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术，当然，我们也 有很多不足的地方， 最后用一句话来结束吧： “实践是检验真理的唯一标准” 。

​ 通过本次实践操作，也让我深刻明白：只有将课本上的理论知识，结合实践不断练习，不断总结提炼，反复思考实践中的经验教训，才能够真正消化为自己的知识。

八 参考文献

• [1] 陈利永 . 电子技术基础 [M] 北京 . 北京邮电大学出版社
• [2]《电子线路设计·实验·测试》 第三版，谢自美 主编，华中科技大学出版社
• [3]《新型集成电路的应用——电子技术基础课程设计》梁宗善 主编，华中科技大学出版社
• [4]《电子技术基础课程设计》，孙梅生等编著，高等教育出版社

九 完整的论文和仿真下载

今天的文章简易信号发生器设计分享到此就结束了，感谢您的阅读。