方波--三角波--正弦波函数信号发生器

++++++++++++++++++++++++++++目 录

1 函数发生器的总方案及原理框图„„„„„„„„„„„„„„„„„（1） 1.1 电路设计原理框图„„„„„„„„„„„„„„„ （1） 1.2 电路设计方案设计„„„„„„„„„„„„„„„„（1） 2设计的目的及任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（2）

2.1 课程设计的目的„„„„„„„„„„„„„„„„„（2） 2.2 课程设计的任务与要求„„„„„„„„„„„„„„（2） 2.3 课程设计的技术指标„„„„„„„„„„„„„„„（2） 3 各部分电路设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（3）

3.1 方波发生电路的工作原理„„„„„„„„„„„„„（3） 3.2 方波---三角波转换电路的工作原理„„„„„„„„ （3） 3.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理„„„„„„„ （6） 3.4电路的参数选择及计算„„„„„„„„„„„„„„ （8） 3.5 总电路图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„（10） 4 电路仿真„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （11）

4.1 方波---三角波发生电路的仿真„„„„„„„„„„„（11） 4.2 三角波---正弦波转换电路的仿真„„„„„„„„„„（12） 5电路的安装与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （13）

5.1 方波---三角波发生电路的安装与调试„„„„„„„„（13） 5.2 三角波---正弦波转换电路的安装与调试„„„„„„„（13） 5.3 总电路的安装与调试„„„„„„„„„„„„„„„ （13） 5.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法„„„„ （13） 6电路的实验结果„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （14）

6.1 方波---三角波发生电路的实验结果„„„„„„„„„ （14） 6.2 三角波---正弦波转换电路的实验结果„„„„„„„„ （14） 6.3 实测电路波形、误差分析及改进方法„„„„„„„„„（15） 7 实验总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （17） 8 仪器仪表明细清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （18） 9 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ （19）

1．函数发生器总方案及原理框图

1.1 原理框图

1.2 函数发生器的总方案

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)。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。

2．课程设计的目的和设计的任务

2.1 设计目的

1．掌握电子系统的一般设计方法 2．掌握模拟IC器件的应用

3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4．掌握常用元器件的识别和测试

5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法

2.2设计任务

设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器 2.3课程设计的要求及技术指标

1．设计、组装、调试函数发生器 2．输出波形：正弦波、方波、三角波； 3．频率范围 ：在10－10000Hz范围内可调 ；

4．输出电压：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝8V，正弦波UＰ－Ｐ>1V；

3．各组成部分的工作原理

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

工作原理如下：

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 U

将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为 Uia

R3RPR21

(VCC)Uia0

R2R3RPR2R3RP11

R2R2

(VCC)VCC

R3RPRRP131

若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 Uia

R2R2

(VEE)VCC

R3RPRRP131

比较器的门限宽度UHUiaUia2

R2

ICC

R3RP1

由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71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Uo2为UO2

1

UO1dt (R4RP2)C2

UO1VCC时，UO2

(VCC)VCCtt

(R4RP2)C2(R4RP2)C2VCC(VEE)

tt

(R4RP2)C2(R4RP2)C2

UO1VEE时，UO2

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UO2m

R2

VCC

R3RP1

方波-三角波的频率f为 f

R3RP1

4R2(R4RP2)C2

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——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

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，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：

IC2aIE2

aI0

1eUid/UT

aI0

1eUid/UT

IC1aIE1式中 aIC/IE1

I0——差分放大器的恒定电流；

UT——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

4UmTTt4Uid

4Umt3T

4T

T

0t

2

 T

tT

2

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。

VCC

-12V

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。

2.三角波-正弦波部分 角波-正弦波部分 波-正弦波部分 -正弦波部分 正弦波部分

弦波部分 波部分 部分 分

比较器A1与积分器A2的元件计算如下。 由式（3-61）得UO2m

R2

VCC

R3RP1

即

UR241

O2m

R3RPVCC1231

取 R210K，则R3RP130K，取R320K ，RP1为47KΩ的点位器。区平衡

电阻R1R2//(R3RP1)10K 由式（3-62）f

R3RP1

4R2(R4RP2)C2

即R4RP1

R3RP1

4R2C2

当1HZf10时，取C210F，则R4RP2(75~7.5)k，取R45.1k，为100KΩ电位器。当10HZf100时 ，取C21F以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。取平衡电阻R510k。

三角波—>正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3C4C5470F，滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C6可取得较小，C6一般为几十皮法至0.1微法。RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。

3.5 总电路图

-12V

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． 电路仿真

4.1 方波---三角波发生电路的仿真

4.2 三角波---正弦波转换电路的仿真

5 电路的安装与调试

5.1 方波---三角波发生电路的安装与调试

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。

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

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。 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A1与积分器A2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=10KΩ,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。如果Uo3的 波形出现如图3—76所示的 几种正弦波失真，则应调节和改善参数，产生是真的 原因及采取的措施有；

1）钟形失真 如图（a）所示，传输特性曲线的 线性区太宽，应减小Re2。

2）半波圆定或平顶失真 如图（b）所示，传输特性曲线对称性差，工作点Q偏上或偏下，应调整电阻R*.

3）非线性失真 如图（C）所示，三角波传输特性区线性度 差引起的失真，主要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。 （3）性能指标测量与误差分析

1）放波输出电压Up—p《=2Vcc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

6电路的实验结果

6.1 方波---三角波发生电路的实验结果

6.2 三角波---

正弦波转换电路的实验结果

实验结果分析

6.3 实测电路波形、误差分析及改进方法

将C6替换为由两个.1uF串联或直接拿掉, 1uF串联或直接拿掉, uF串联或直接拿掉, F串联或直接拿掉,

C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v >1v .1uF U=54mv Uo=2.7v >1v 1uF U=54mv Uo=2.7v >1v uF U=54mv Uo=2.7v >1v F U=54mv Uo=2.7v >1v

C1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v>1v .01uF U=54mv Uo=2.8v>1v 01uF U=54mv Uo=2.8v>1v 1uF U=54mv Uo=2.8v>1v

uF U=54mv Uo=2.8v>1v F U=54mv Uo=2.8v>1v

Xc=1/W*C,当输出波形为高频时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。

频时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。 时，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。 ，若电容C6较大，则Xc很小，高频信号完全被吞并，无法显示出来。

实验总结

一个礼拜的课程设计已经结束，

7．实验总结

为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，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、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

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。

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。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。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。

还有就是在实验中，好多同学被电烙铁烫伤了，这不得不让我想起安全问题，所以在以后的实验中我们应该注意安全，让不必要的伤害减至最少。

还有值得我们自豪的一点就是我们的线路连得横竖分明，简直就是艺术啊，最后用一句话来结束吧。

“实践是检验真理的唯一标准”。与君共勉。

8．仪器仪表清单

设计所用仪器及器件

1．直流稳压电源 1台 2．双踪示波器 1台 3．万 用 表 1只 4．运 放741 2片 5．电位器50K 100K 100Ω 6．电 容470μF 10μF 1μF 0.1μF 0.01μF 7．三极管9013 8．面 包 板 9．剪 刀 10．仪器探头线 11．电 源 线

2只 1只

1只

3只

1只 1只 2只 只

4只 1块 １把 2根 4根

1

9．参考文献

童诗白主编．模拟电子技术基础（第三版）．北京：高教出版社， 2001

李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社，2001.3 胡宴如主编. 模拟电子技术. 北京. 高等教育出版社，2000

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