信号发生器设计总结报告

摘要

信号发生器一般指能自动产生正弦波、方波、三角波电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；现采用分立元件设计出能够产生3种常用实验波形的信号发生器，该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端，即可组成矩形波信号发生器。然后经过积分电路产生三角波，三角波通过低通滤波电路来产生正弦波。并设计了精密整流器，对输入的正弦波信号进行全波整流，产生全波波形。再确定各元件的参数，通过调整和模拟输出，并在实验室对电路仿真进行调试，观察效果并与课题要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。

因此对于电子专业的学生，对函数信号发生器的设计，仿真，制作已成为最基本的一种技能，也是一个很好的锻炼机会，是一种综合能力的锻炼，它涉及基本的电路原理知识，仿真软件的使用，以及电路的搭建，既考验基础知识的掌握，又锻练动手能力。

关键词： LM324；LM358；稳压管；二极管；精密整流。

第一部分：系统设计分析

一、设计要求

1．掌握电子系统的一般设计方法 2．掌握仿真软件的应用

3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力

4．根据技术指标要求及实验室条件自选方案设计出原理电路图，分析工作原理并计算元件参数。 二、设计要求

1、产生正弦波；方波；三角波；全波波形。 三、总体方案设计： 函数发生器的组成

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函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。 主要单元方案比较

1、方案（一）的基本构想和原理：

电路基本构想与组成：

在电路中，运放A1组成是比较器，A2是起反向积分的作用的按反相积分器，同时A1与A2共同组成了正反馈回路，形成自激振荡。由A1输出正负对称的方波，输出电压经过R9与R10的分压后输入A2的反相端，经A2进行计分运算后，输出三角波；输出的三角波，再经过R7、C2和R8、C3两次积分后输出正弦波。在电路中的不同的点取输出由此组成了可以同时产生正弦波、方波和三角波的电路。在次电路中使用LM324集成运放、电阻、电容以及稳压管来构成基本的电路。基本思路框图-(1)如下： 方波 三角波 U1A反A2反相R7、C2和R8、

积分器 C3滤波电路 相比较

图1

正弦波 全波 方案二：该方案的基本构想与组成与方案一基本相同，只是在产生正弦波的电路上稍加改动，不采用滤波电路，而采用折线法。

U1A反相比较A2反相积分器 折线法 方波 三角波 正弦波 全波 图2

方案三：先用滞回比较器产生方波，方波通过一个积分电路生成三角波，三角波再通过二阶低通电路产生正弦波，正弦波通过精密整流器产生全波波形。

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图3

由于在设计方案一时失真特别大，鉴于方案三较为简单，波形效果好，所以我们就改用方案三。

第二部分：方案设计与论证

函数信号发生器的实现方法通常有以下几种：

（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：它能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国马克西姆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。

第三部分：电路设计与参数选择

1. 方波、三角波发生电路

工作原理分析

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-12C1ULA0.1uF1123LM324R132KR210K产生方波Uo1ZD13.9VZD23.9V12vR410K65LM324R510K-12vU1B7三角波Uo24+12R110K 图4

如上图的左边为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。将右边的积分运算电路取代方波发生电路RC充放电回路，滞回比较器和积分电路的互为对方的一个输入。

图4中滞回比较器的输出电压Uo1??Uz,它的输入电压是积分电路的输出电压Uo2，根据叠加原理，集成运放A1同相输入端的电位

up1? 令

R2R1R2R1UO2?UO1?UO?UzR1?R2R1?R2R1?R2R1?R2

,则阈值电压

uP1?uN1?0 ?UT??R1UZ R2

图 5 图6 积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压以输出电压的表达式为

UO1,而

UO1不是+UZ,就是?UZ,所

UO2??

1UO1(t1?t0)?UO2(t0)R4C1 式（1）

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式中

UO2(t0)为初态时的输出电压。设初态时

UO1,正好从?UZ跃变为+UZ,则式（1）为

UO2?? 积分电路反向积分，旦

1Uz(t1?t0)?UO2(t0)R4C1 式（2）

UO2随时间的增长线形下降，根据图2.1.2所示的电压传输特性，一

UO2??UT,再稍减小，

UO1将从+UZ跃变为?UZ。使得式（1）变成为

UO2?

1Uz(t2?t1)?UO2(t1)R4C1 式(3)

UO1随时间的增长线性增大，将从?UZ跃变为+UZ，

UO2(t1)为

UO1产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，

根据图2.1.1所示的电压传输特性，一旦

UO2??UT,再稍增大，

UO1回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自激振荡。

由以上波形可知，正向积分的起始值为?UT，终了值为?UT,积分时间为二分之一

?UT?周期，将它们带入式（3），得出则

RUT?1UZR2式中,经整理可得出振荡周期

1TUZ??(?UT)R3C2

T?4R1R4C1R2

f?振荡频率

R24R1R4C1UO1

是方波，幅值为?UZ；

由上述分析可知，所示。

Uo2是三角波，幅值为?UT，如图2.1.3

2.有源二阶低通滤波电路

工作原理分析

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