函数信号发生器的设计与实现_北邮大二上电子电路基础实验报告
时间：2023-07-28 21:07:02
1. 前言
在理解和改变自然的过程中，人们往往需要测量各种电子信号。因此，如何根据被测电子信号的不同特征和测量要求灵活快速地选择不同特征的信号源，已成为现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要为被测电路提供所需的已知信号(各种波形)，然后用其他仪器测量感兴趣的参数。在各种实验应用和实验测试处理中，信号源不是测量仪器，而是模拟各种测试信号，根据用户的需要提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。
函数信号发生器是一种信号源，可以为被测电路提供所需的波形。模拟电子技术主要用于传统的波形发生器，由分立元件或模拟集成电路组成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有类型的波形发生器相比，数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。
本实验由方波-三角波发生电路和三角波-正弦波变换电路两个电路组成。方波-三角波发生电路由自激单线比较器产生方波RC积分电路产生三角波，然后通过差分电路实现三角波-正弦波的转换。电路振荡频率和振幅由电位器调整，输出方波振幅由稳压管的稳压值决定；正弦波振幅和电路的对称性也由两个电位器调整，以实现良好的正弦波输出图。生产成本低，电路简单，使用方便，有效节约人力物力资源，具有实际应用价值。
1.1设计任务要求：
设计制作简单的方波-三角波-正弦波信号发生器±12V，方便频率调节，满足以下指标：
1.输出频率为1 KHZ~10KHZ连续可调范围内。
2.方波输出电压峰值Uopp=12V（误差<20%)，上下沿小于10%uS；
3.三角波输出电压峰值Uopp=8V（误差<20%）；
4、在1KHZ~10KHZ正弦波输出电压峰值在频率范围内Uopp≥1V，无明显失真。
提高要求：
1.将输出方波改为占空比可调矩形波，占空比可调范围不少于30%~70%；
2.自拟其他功能。
2. 方波、三角波、正弦波发生器方案
2. 1 原理框图
RC正弦波-方波-三角波函数发生器由正弦波振荡电路、电压比较器和积分电路组成，电路框图如上。先通过 RC 正弦波振荡电路产生正弦波，然后通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。该电路具有良好的正弦波和方波信号。但是积分器电路产生的同步三角波信号很难。原因是积分电路的积分时间常数不变，而积分电路输出的三角波幅度随方波信号频率的变化而变化。要保持三角波幅度不变，需要同时改变积分时间常数的大小。
2. 2 框图由系统组成
3. 各部分的工作原理
3.1 方波-三角波产生电路的工作原理
方波输出幅度由2DW232稳压管的稳压值决定，即限制在（Uz UD）之间。
方波通过积分获得三角波，幅度为Uo2m=±（Uz UD）。
方波的震荡频率与三角波相同f=1 /T=āRf/4R1 R2C，式中ā为电位器Rp滑动比(即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比)。Rp振荡频率可以改变。
根据两个运输转换率的比较，在产生方波时选择转换速率快的LM318，确保方波上下长度一致，使用LM741会不均匀。选择产生三角波时的三角波LM741。其中R1、R根据实验要求设定20值K和30K，可根据计算设置R6=2KΩ，C=0. 01 uF。根据运放两端电阻要求的电阻平衡，选择R6的阻值和R8的相等，即R8=2KΩ。根据输出方波的范围选择合适的稳压管和限流电阻R3的大小。稳压管为给定2DW232，其稳压范围已给定。选择限流电阻R3为430Ω。为使ā电位器变化范围大，信号频率范围满足要求Rp1选择为100KΩ范围内可调。
3. 2 三角波-正弦波转换电路的工作原理
差动放大器共模抑制比大，广泛应用于集成电路中，常用作输入级或中间级。
差动放大器的设计：
1.确定静态工作点的电流Ic1、Ic2、Ic3
静态时，差动放大器不添加输入信号，电流镜Re3=Re4=ReIr=Ic4 Ib3 Ib4=Ic4 2I b4=Ic4 2Ic4/β≈Ic4=Ic3而Ir=Ic4=Ic3=（Ucc Uee-Ube）/(R Re4)。上表示恒定电流Ic三是电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re与晶体管体管的参数无关。由于差动放大器的静态工作点主要由恒流源决定，一般先设置Ic3。Ic值越小，恒流源越恒定，漂移越小， 放大器的输入阻抗越高。所以在实验中，取Ic3为1mA。有Ic1 =Ic2=0. 5*Ic3=0. 5mA。由R Re=（Ucc Uee-Ube）/Ir，其中Ucc为12V，Uee也为12V，Ube的典型值为0.7V(这个值可以忽略)，Ir为1 mA，故取R=18KΩ，Re4=1 KΩ。因为镜像电流源要求电阻对称，所以取Re3=1KΩ。
2.、差模特性
差动放大器的输入输出包括单端输入和双端输入。因此，差动放大器的输入输出有四种不同的连接方式。不同的连接方式具有不同的电路特性。Rp值不能太大，否则反馈太强，一般取100Ω左右电位器用于调节差动放大器的对称性。
3、 三角波-正弦波变换电路
三角波-正弦波变换电路种类繁多，包括二极管桥式电路、二极管可变分压器电路和差分放大器。本实验利用差分放大器传输特性曲线的非线性实现三角波-正弦波的变换。
图中R调整三角波的幅度，R16调整电路对称性，并联电阻RE用于减少差分放大器传输特性曲线的线性区域。C2、C3、C4为隔离直流电容，单向大电容不仅能很好地过滤直流重量，还能避免双向耦合，使输出地波形清晰稳定。C为滤波电容器，滤除高频信号干扰，改善正弦波输出波形，减少不确定信号干扰。
电解电容C2、C3、C4.隔直流电容，为了达到隔直流和通信良好的目的，其容值应相对较大，因此应获得C2=100uF，C3=100uF，C4=100uF。R17调整三角波的范围。为了满足实验要求，其可调范围应相对较大，因此应采用R17=10kΩ。Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为 Rb1=Rb2=51Ω。流进T1，T2集电极电流约为0.5mA，其正弦波的范围大于1mA， 取Rc1=Rc2=7.5kΩ，使电流流经Rc2的电压降不大。C5.滤波电容器的值应满足要求的正弦电压范围和频率。其值不能取得太大，否则振幅太小，无法满足要求，因此取出 C5=0.1uF。到目前为止，电路的设计已经基本完成，电路需要在实验中进一步调试。
3. 3 提高要求电路图
原电路图R5改为
这种结构采用二极管的单向导电性，电位器的调节使两个方向串联的电阻值不同，使电容器C充放电时间不同，从而实现方波比的扩展功能。
3. 4 总电路图
4. 用Multisim电路仿真
4. 1 方波—三角波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，可得图8所示的方波转三角波波形仿真图。
4. 2 方波—正弦波电路的仿真
方法同输出方波电路的仿真方法，可得图所示的三角波转正弦波波形仿真图。
4. 3 提高要求的仿真
5. 电路的实验结果及分析
5. 1 方波波形产生电路的实验结果
把电路板的电源接好，将输出端接示波器，进行整体测试、观察。针对其出现的问题， 进行排查校验，使其满足实验要求。可得到实测方波波形如图11所示：
5. 2 方波——三角波转换电路的实验结果
实测三角波波形如图12所示：
5. 3 正弦波发生电路的实验结果
由示波器实测正弦波波形图为：
由图可知波形比较准确，调节RP可改变幅频、幅值大小。频率在1kHZ~10kHZ连续可调。
5. 4 提高要求的实验结果
5. 5 主要测试数据
三种输出波形的输出频率在1K~10KHz范围内连续可调，无明显失真。
方波的峰峰值为13.8V，大于实验要求的峰峰值12V，误差为15%，小于20%，满足实验要求。上升时间为251ns，小于10us。输出方波占空比可调范围是12%87%，大于30%70%。
三角波的峰峰值为8.85V，大于实验要求的峰峰值8V，误差为10.625%，小于20%，满足实验要求。
正弦波的峰峰值大于1V满足要求。
5. 6 必要的测试方法
利用直流电压源产生工作电压，用示波器测试输出电压波形、峰峰值、频率、占空比、上升时间等，用万用表测量电阻的阻值及电容容值。
5. 7 实验结果分析
输出的各波形的参数范围符合使要求，有些许的偏差。原因可能是在各原件的参数选择上有些偏差。
正弦波稍微有点失真是因为积分电路中充放电的时间不够, 隔直电容选取的不够大，差分电路不完全对称，调节几个电位器即可使波形改善，若还不对称，则需将隔直电容调换之更大数值。
6. 故障及问题分析
在第一次试验中，第一级的方波——三角波发生电路不能产生波形，检查元器件连接无误，于是多次将电路拆掉重连，最终发现是调节频率的电位器一个引脚损坏。
无波形图示：
第二级电路连接好之后，正弦波总出现波形失真，且频率可调范围小于1K~10KHz，我请教了电路中心的张咏梅老师，她说这是因为正弦波形是电容滤出来的，而不是差分电路输出的改变C2、C3、C4的容值即可。
于是改变C2、C3、C4的容值，反复试验，最终出现无失真，频率范围可调的正弦波。
失真图示：
7. 实验总结
在实验过程中，遇到了很多的问题。比如：
1、波形失真，甚至得不到波形这样的问题。开始很长一段时间内我换掉各种元件但是还是不能出现波形，直到我更换了面包板。这是因为插线的时候用力过猛，使得面包板的弹片掉落，不能使电路内部连通。
2、正弦波输出有很大失真，一开始没有输出正弦波而是三角波，这是因为差放工作在线性区，不能完成三角波——正弦波的转换，我将Rb的阻值调小，并且改变隔直电容的容值，才使波形得以改善。
3、方波的峰峰值不符合要求。理论上，方波的峰峰值是由稳压管决定的，调节电位器，可以改变幅度和频率。
4、三角波峰峰值比预想中大。理论上，是要保证R1/R2=3:2，即可保证三角波峰峰值为8V。但当采用了R1=30kΩ，R2=20kΩ的电阻后，三角波的峰峰值反而偏大，并且不由调节电位器可以改变。解决办法是适当调整R1、R2的阻值直到达到预期效果。
5、一开始搭建电路缺乏经验，使电路的构造十分拥挤。后来借鉴了其他同学搭电路的方法，让电路连接的导线尽量短，导线和元器件紧贴在面包板上，这样搭出来的电路更加赏心悦目，各元器件的连接更加清晰，debug更加方便，实验成功率也大大提高。
6、一开始正弦波失真，是因为正弦波形是电容滤出来的，而不是差分电路输出的。改变C6、C7的容值即可。
8. 仪器仪表清单
8. 1 所用仪器及元器件：
元器件：电位器、电阻、电容
相关元件参数：
LM318芯片：
输入失调电压：4mV；增益带宽积：15MHz
耗电流：5mA；偏置电流：150nA
转换速率：70V/uS；电源：+/-20V
LM741芯片：
输入失调电压0.8mV；增益带宽积：1.5MHz
耗电流：1.7mA；偏置电流：30nA
转换速率：0.7V/uS；电源：+/-3V — +/-22V
三极管：8050
双稳压管：2DW232
二极管：1N4148
8. 2 仪器清单表
表一 仪器清单表
元器件名称 型号、规格 数量
运算放大器 LM741 1片
运算放大器 LM318 1片
三极管 8050 4个
双稳压管 2DW232 1个
电位器 100Ω 1个
电位器 10kΩ 2个
独石电容 若干
电解电容 若干
电阻 若干
面包板 1个
提高要求需要：
电位器 1个
二极管 1N4148 2个
9. 参考文献
[1] 刘宝玲.《电子电路基础》.高等教育出版社
[2]《电子测量与电子电路》综合设计型实验讲义.北京邮电大学电子工程学院电路中心. 201 6. 3
