第一篇：数电 试验十五 函数信号发生器的设计(SUN)范文
实验十五
函数信号发生器的设计
实验报告
(宁波大学通信数电实验,鸣谢报告提供者，自动化071，孙嵘）
一、实验目的：
熟悉并行DAC的使用；
掌握LPM_ROM的使用方法；
掌握DAC和ROM为核心的波形发生器的设计方法。
二、实验仪器：
数字电路和系统实验箱
1台
计算机
1台
QuartusⅡ软件
1套
示波器
1台
三、实验任务
利用LPM_ROM及DA转换器THS5651设计一个函数信号发生器。
四、实验要求：
1． 预习要点：设计波形数据表（*.mif）。2． 基本要求：
a）产生单极性正弦波，峰峰值大于4V；
b）信号输出频率约为100Hz和1KHz,按键切换（时钟频率恒定）c）正弦数据表：数据8~10位，地址不小于8位； d）用示波器观测并记录输出波形。3.进阶要求：
a)输出波形：正弦波，方波，三角波，按键切换（四档以上）；
b)用按键改变输出信号的频率，（八档以上）。
四、实验设计说明：
常用的函数信号产生方法有直接频率合成（DS）法，锁向环式频率合成法、DAC+ROM方法以及在此基础上形成的直接数字合成（DDS）技术等。DAC+ROM的波形产生器一般由三部分组成：计数器构成的地址信号发生器、波形数据ROM和DAC,一般结构如下图：
图1 函数信号发生器结构图
其中，8位地址信号发生器可以由计数器实现，它的输出作为ROM的地址信号；正弦信号数据存储ROM选择8位地址线，10位数据线；分频计也用计数器实现。
六、实验内容：
1.新建一个工程，选择others filesmemory initialization file然后确定 2.在建立的ROM表中填写数据如下（波形数据表）：
3.按照实验要求设计电路，电路图如下：
编译无误后下载至芯片，并将实验箱与示波器相连，在示波器上观察输出的波形和频率。
管脚说明：
Cp为总脉冲接入端，为符合要求，接1MHZ； Cpp为DAC元件的驱动脉冲；
C为100HZ和1KHZ的转换端，c为0时选择输出的波形的频率为100HZ，c为1时选择输出的波形的频率为1KHZ； Q为数据输出端，用以进行DA转换。实验现象：
在x轴扫描电压为100HZ和1KHZ时可以分别看到100HZ和1KHZ的近似正弦波形。
七、实验总结：
1.熟悉了并行DAC的使用
2.掌握了LPM_ROM的使用方法
3.学会了DAC和ROM来产生波形的方法
第二篇：函数信号发生器设计
函数信号发生器设计设计任务与要求
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。
第三篇：函数信号发生器设计论文.
四川师范大学成都学院通信原理课程设计 目 录
前言.....................................................................1 1 函数信号发生器设计任务................................................1 1.1 设计提议...........................................................1 1.2 方案论证与研究.....................................................1 2 方案设计..............................................................2 2.1 项目指标...........................................................2 2.1.1 电源参数.......................................................2 2.1.2 工作频率.......................................................2 2.2 方案比较及选择.....................................................2 3 设计理论..............................................................3 3.1 函数发生器的结构组成...............................................3 3.2 方波信号...........................................................3 如图3.2-1由运算放大器和电容积分电路、Rf组成的，输出电压最终反馈到运
放反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。........................3 3.3 正弦波信号.........................................................4 3.4 三角波信号.........................................................6 4 RC振荡电路设计........................................................7 5 放大器功率及ICL8038介绍...............................................9 5.1 放大器功率.........................................................9 5.2 ICL8038原理介绍...................................................10 6 致谢..................................................................11 7 总结及体会............................................................12 附录1 系统原理图.......................................................13 附录2 系统元件清单.....................................................14 附录3 系统PCB图.......................................................15 I 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 参考文献................................................................16 II 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 函数信号发生器设计论文
前言
函数信号发生器的制作是以集成块ICL8038为核心器件，制作的成本也相对较低。是适合学生学习、使用电子技术测量。ICL8038可以输出具有多种波形的精
密振荡集成电路，要想产生从0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号只需要个别外部元件。输出波形的占空比和频率还可以由电阻或电流控制。其次由于此芯片具有调制信号的输入端，所以可以用作频率调制，针对于低频信号。
函数信号发生器有着不同的用途，其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种或多种波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电路，如先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电路转化为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波或三角波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间可选性的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行的。1 函数信号发生器设计任务 1.1 设计提议
产品开发、工业生产、科学研究等领域都的使用函数信号发生器，它常用的基本测试信号有锯齿波和正弦波、矩形波、三角波。常作为时基电路的锯齿波信号在示波器等仪器中利用荧光屏显示图像。例如，想要通过示波器荧光屏上观察到被测不失真地信号波形，通过产生锯齿波电压使的电子束在水平方向匀速搜出荧光屏。方波，三角波都有着不同的重要作用，而函数信号发生器是指一种能自发的产生方波、正弦波、三角波和锯齿波阶梯波等电压波形的仪器或电路。因此，提议设计一种能产生三角波、正弦波、方波的函数信号发生器。1.2 方案论证与研究
函数信号发生器用途较多，其电路中使用的器件是分离器件的可以产生三种或多种波形的函数发生器；而产生正弦波、方波、三角波也有多种方案，是集成器件电路，如先产生正弦波，根据其周期性内部某种确定的函数关系，再将正弦波通过整形电路转化 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 为方波，最后三角波通过积分电路形成。也可以先产生方波或三角波，再将方波或三角波转化成正弦波。随着电子技术日益发展，新器材、新材料越发渐好，随着期间可选性的增加，函数信号发生器开发出更多的新款式，比如在技术上很可靠的产生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以选择多种多样的方案，原则上是可行的。2 方案设计
2.1 项目指标 2.1.1 电源参数
● 输入：双电源 +12V、-12v
● 输出：方波电压约等于12v，三角波电压与约等于5v，正弦波电压大于1v，幅 度可连续调，线性失真就会较小。2.1.2 工作频率
频率范围：10HZ～100HZ,100HZ～1000HZ 2.2 方案比较及选择
方案一：正弦振荡是由文氏电桥产生，然后得到方波，三角波是方波积分得到的。此方案结构简单，是一开环电路，产生的失真较小的正弦波和方波波形①。但于产生三角波则比较有麻烦，因为频率覆盖系数要求有1000倍，因此对于1000倍的频率变化会有积分时间从而使输出电压振幅的1000倍变化。而这是不满足电路要求的。幅度的稳定性几乎难以达到要求。并且通过仿真实验会发现积分器极易产生线性失真。
方案二：通过芯片ICL8038产生8083集成函数发生器。
该集成函数发生器是一种用途较多的波形发生器，可以产生方波、正弦波、三角波和锯齿波，通过外加的直流电压进行振荡器调节，所以是电压控制集成信号产生器。由于两个电流源控制外接电容C的充、放电电流，所以电容C两端电压大小变化与时间成线形关系，从而可以输出理想的三角波波形。8038电路中含正弦波变换器，因此可以将三角波转化成正弦波输出。另外还可以将三角波转换成方波输出通过触发器。此方案的特点有： ◆ 稳定性好而且线性良好；
◆ 易调频率，频带在几个数量级范围内，可以方便地、连续地改变频率大小，而且 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 ◆ 变频率的同时，幅度是不会发生变的；
◆ 不会出现过渡过程，只要接通电源后就会立即产生稳定的波形图； ◆ 方波和三角波在半周期内的时间是线性函数，容易转换为别的波形。故由此，本次信号设计采用的是第二种方案。3 设计理论
3.1 函数发生器的结构组成
函数发生器是指能够自动产生方波、正弦波、三角波的电压波形的仪器或电路。可以采用由运放、分离元件及单片集成函数发生器构成电路形式。根据不同的用途，可以产生三种或多种不同波形的函数发生器，本次介绍的事不同函数信号发生器的方法。
函数信号发生器是由正弦波形发生电路和基础的非正弦信号发生电路组合成的。下面我们将分别对方波、正弦波、三角波的发生进行分析，从而使在合成电路时电路更加的合理。3.2 方波信号
如图3.2-1由运算放大器和电容积分电路、Rf组成的，输出电压最终反馈到运放反相输出端，因此积分电路有负反馈和延迟的作用。
图3.2-1 运算放大电路
电路如图3.2-2所示，在接通电源时，电容两端的电压为零，且输出电压等于UZ，所以运放同相输出端的电压uP=UzR2=UZF。R1+R2 3 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 此时uO=UZ向C充电，使运放反相端输入电压uN不断上升。在uN小于uP以前，uO=UZ不变。在t=t1时，uN逐渐上升到略高于uP，使uO从高电平跳到低电平，变为-UZ。
此时通过Rf向C充电，使运放反相输入端的电压uNuP=-UZF，uO=-UZ时，逐渐增加。在uN大于uP以前，uO=-UZ大小保持不变。在t等于t2时，uN减小到稍低于uP，则uO从低电平跳到高电平，变为UZ，又回到最初状态。如此重复，循环，从而产生振荡，并输出方波。
根据上面的分析，从而可以画出如下图uO与uC的波形：
图3-2-2 uO与uC的波形
有图波形，并取适当的R1、R2值，F=R2(R1+R2)，则T=2RfC，得到振荡频率为：
3.3 正弦波信号
即又被称为文氏电桥振荡器，如图3-3-1所示其中是由同相运放电路组成的A放大器，如图3.3-1，Av= VoR=(2+1)VdR1f0=11=T2CRf 4 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
图3.3-1 文氏电桥振荡电路 图3.3-2 同相运放电路
由RC串并联组成网络F，因为运放的输入阻抗较大，所以输出阻抗Ro就很小，对网络F几乎没有影响影响，故忽略不计，根据图3.3-3得 R VfjωRC+1Fv==1RVo++RjωC1+jωRC =R 1(jωRC+1+R)+RjωC=R1j(ωR2C-)+3RωC 5 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 根据自激振荡条件： AF =T=1故有AvFv=AvR=1 因此上式中分母12j(ωRC-)+3RωC 中的虚部必须等于零，即 R2Cw-1=0 ωC ⇒振荡频率ω0=1 CR
上式中实部为1，所以起振条件Av=3 图3.3-2是同相运放，Av=R2+1 须满足条件2R1=
R2 R1 图3.3-3 RC串并联
3.4 三角波信号
根据RC的积分电路输出和输入信号波形的关系可得，当输入信号是方波时，则输出的信号便是三角波，由此可知，三角波信号发生器是由RC积分电路和方波信号发生器组成。下图3-2-3便是三角波信号发生器的电路组成。图中的方波信号发生器是由A1运算放大器组成，RC积分电路是由A2组成。该电路的设计原理是：由方波信号发生器输出方波。反相积分电路由图中A1，A2和C、R4等组成。
分析可以画出uO1和uO的波形，如图3.4-1所示。6 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
图3.4-1 uO1和uO的波形
电压uO的上升和下降幅度和时间变量相等，而且上升和下降的斜率的绝对值大小也相等。三角故波uO峰值为：
Uom= UZR2 R1 4R1R4C R2 则在调整三角波电路时，R1或R2应被先调整,使峰值达到所需要的值，最后再调整故振荡周期： T=2(t2-t1)=R4或C，使频率f0能满足要求。4 RC振荡电路设计
RC振荡器电路的设计，就是根据给出的指标要求，选择适合的电路结构形式，并确定和计算电路中各元件的参数，在所要求的频率范围内使它们满足振荡的条件，使电路产生正弦波形。RC振荡器的设计的步骤为：
● 根据已知的指标参数，选择适合的电路形式。● 计算并确定电路中的各元件参数。● 选择运算放大器
● 为满足电路指标要求可通过调试。四川师范大学成都学院通信原理课程设计
例如：设计一个振荡频为800Hz的RC正弦波振荡器。设计步骤如下: 计算并确定电路中的各元件参数。● RC的值可根据振荡器的频率计算。RC= ● 确定R和C的值 1=1.99⨯10-4(s)2πf0
为了使选频网络不受运算放大器输入和输出电阻的影响。按：Ri >> R >> R0的关系确定R的值。其中：运算放大器同相端的输入电阻Ri。为运算放大器的输出电阻R0。
当R=20kΩ时，则：
1.99⨯10-4-7C==0.995⨯10F 320⨯10 ● 确定R3和Rf 的值（Rf=R4+Rw+rd//R5)根据振荡的振幅条件，Rf应大于2R3，取Rf=2.01R3。从而减小波形失真。此外，为了满足R等于R3并联Rf的直流平衡条件，并减小运放输入失调的影响。
由Rf=2.01R3和R=R3//Rf可求出：
R3= 取整数值: R3=30k Ω
所以:Rf=2.01R3=2.01⨯30⨯103Ω=60.3kΩ.为了是效果更好, Rf与R3的值还可以通过实验调整后确定。● 确定其元件值及电路。
电路由R5和接法相反的二极管D1、D2并联而成。
二极管D1、D2 应选用其元件值硅管，因其温度稳定性较高。当然二极管D1、D2的特性必须保持一致，以确保输出波形的正负半轴对称。● R2与R5确定
由于二极管的非线性会导致波形失真，因此，可在二极管的两端并上一个阻值与rd相近的电阻R5。用来减小非线性失真，然后再经过调整，达到最好效果。便可确定R5，再计算出R2。为了是效果更加明显,电阻 R2可用50kΩ电阻和40 kΩ的电位器串联。● 运放型号的选择
运放选择，要求输入高阻、输出低阻，而且满足增益带宽积：Auo• BW 大于3fo 的 3.13.1⨯20⨯103=29.8⨯103Ω R =2.012.01 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
条件。因为fo=800Hz，所以选择μA741集成运算放大器。5 放大器功率及ICL8038介绍 5.1 放大器功率
由多级放大器组成的便是电子电路。在工作过程中，电压放大是由小信号放大电路对输入信号进行的，再通过功率放大电路将功率放大，以便于控制或驱动负载电路工作。功率放大器就是以功率放大为目的的电路。低频功率放大器也称为功率放大器，是能使低频信号功率放大的放大器。
如图5.1-1 OTL 低频功率放大器所示。其中由晶体三极管T1组成前置放大级（也称推动级），T2、T3是一组参数对称的PNP和NPN型晶体三极管，它们组成OTL功放电路。射极输出器形式是由每一个管子接成的，因此输出电阻低，负载能力较强等优点，适合功率输出级。甲类状态由T1管工作，此集电极电流IC1是通过电位器RW1进行调节。IC1 的一部分流经二极管D及电位器RW2，给T2、T3提供电压。通过调节RW2，可以使T2、T3在甲、乙类状态得到合适的静态电流，以克服失的一端，因此可在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面改善了非线性失真，同时也能够稳定放大器的静态工作点。R和C2构成用于提高输出电压正半周的幅度自举电路，从而得到较大的动态范围。C2和R 构成自举电路，用于提高输出电压正半周的幅度，以得到大的动态范围。主要性能指标是OTL 电路。
在输出功率P0m的最大不失真理想情况下，在实验中可测量RL 两端的电压有效值通过计算来得实际的
其中由晶体三极管T1组成前置放大级（也称推动级），T2、T3是一对参数对称的NPN和PNP型晶体三极管，互补推挽的OTL功放电路就由它们组成。由于射极输出器形式是每一个管子连接成的，因此具有输出低电 阻，负载能力较强等优点，适合作用于功率输出级。甲类状态T1管工作，通过调节电位器RW1来调节它的集电极电流IC1。IC1 的一部分流经二极管D及电位器RW2，给T2、T3提供偏电压。为甲、乙类状态在T2、T3得到合适的静态电流，可通过调节RW2来实现，从而又由于RW1的一端接在A点，因此在电路中引入交、直流电压并联负反馈，一方面能够稳定放大器的静态工作点，同时也改善了非线性失真。9 四川师范大学成都学院通信原理课程设计
图5.1-1 OTL 功率放大器实验电路 5.2 ICL8038原理介绍
芯片ICL8038是单片集成函数发生器，如图5-3s所示为其内部原理电路框图。ICL8038由恒流电流源I1、I2，触发器和电压比较器C1、C2等组成。电压比较器C1的门限电压为2VR/
3、的为VR(VR= VEE+VCC)，可通过调节外接电阻确定电流源I1和I2的大小，并且I2必须大于I1。当触发器Q端输出电平低时，I2通过开关S的控制从而使电流源断开。而电流源I1向外接电容C充电，电压随时间变化线性下降，当其下降到小于VC时，比较器C2输出发生跳变，当VC上升到2VR/3时，比较器C1输出波形会发生跳变，从而使触发器输出端Q由低电平变为高电平，电流源I2接通通过控制开关S。当其上升和下降时间相等时，产生的波形输出到引脚3，而触发器输出的波形经缓冲器输出到引脚9。三角波由正弦波变换器变成正弦波后由引脚2输出。由此知ICL8038能输出三角波、方波和正弦波等三种及三种以上的不同波形。其中，外部接入振荡电容C，它是通过内部两个恒流电源来完成充电、放电的过程。恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C持续充电，并增加电容电压，从而达到改变比较器的状态改变、输入电平以及带动触发器翻转来连续控制的。当触发器使恒流源2处于关闭状态，电容电压值是比较器1输入电压规定值的2／3倍时，比较器1的状态发生改变，使触发器的工作状态发生翻转，此时将模拟开关K由B接到A点。因为恒流源2的电流值为2I，比恒流源1大，所以电容器处于放电状态，在单位时间内电容器端电压将将发生改变，为线性下降，当电容电压值下降到比较器2的输入电压规定值的1／3倍时，比较器2状态发生改变，使触发器再次翻转到原来的状态，周而复始的完成此振荡过程。四川师范大学成都学院通信原理课程设计 根据以上分析，上述基本电路中很容易获得3种函数信号，倘若电容器在放电过程和在充电过程的时间常数相等，而且是在电容器充放电时，那么电容电压输出的就是三角波函数，从而三角波信号由此获得。因为触发器的工作状态也是由电容电压的充放电的过程决定的，因此，触发器的状态通过翻转，就能够产生方波函数信号，在芯片内部结构中，这两种信号经过缓冲器功率的放大，并从管脚3和管脚9输出可得。满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围可适当的选择外部电阻RA和RB和C。所以，对两个电流源在I和2I电流不等的情况下，可以从最小到最大范围中循 环调节，并任意选择调整，因此，只需要使电容器充放电时间不相等，便可获得锯齿波等函数信号。
图5.2-1 内部原理电路框图 6 致谢
本课题在选题以及研究过程是在孙活老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。老师们多次询问研究设计进程，并为我悉心指点迷津，帮助我开拓思路，耐心点拨、鼓励。老师们严谨细致、一丝不苟的工作作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢带过我的老师对我的教育培养。他们细心指导我的学习与研究，从课题的选择到项目的最终完成，老师们都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此，我要向诸位老师深深地鞠上一躬并致以诚挚的谢意和崇高的敬意。
在此，我还要感谢我的5位室友，正是有你们的帮助、理解和支持，我才能克服一个一个的困难，直至顺利的完成本文。当然也缺少不了一起愉快度过三年的大
学同学，他们给与我帮助，支持，我在此也由衷的表示感谢。最后我还要感谢含辛茹苦的把培养 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 我长大的父母，谢谢您们!7 总结及体会
通过本次课程设计，加强了我们的思考、动手和解决问题的能力，经常会遇到不同的情况，心里总想着这样的接法或许可以行得通，但实际接上电路后才发现不对，实现不了预想的效果，因此耗在这上面的时间用的比较多。
我觉得做课程设计的同时也巩固和加强了课本知识，由于课本上的知识太多而且零散，平时课间的学习也并不能很好的理解并运用各个元件的功能，考试内容又比较有限，因此在这次课程设计过程中，我了解了很多元件的功能以及使用。平时看课本学习书本知识时，有时问题总是弄不懂，可做完设计，那些不是问题的问题就迎刃而解了。甚至还记住很多东西，受益匪浅。如一些芯片的功能及作用，平时看课本讲解，看一次忘一次，没从根本上理解。通过这次动手实践让我对各个元件印象深刻。所以认识、了解来源于实践，实践才是认识的动力和最终目的，实践出真理。所以这次的设计对我的学习和帮助作用都非常大的。
通过该次设计，在理论学习时，很少会有实践的机会，但我们学院可以，而且设计制作也是一个团队的任务！一起的学习工作中可以让我们团结一致，相互帮助，默契配合，多少欢乐在这里洒下。我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，必须发扬团结合作的精神。这次实验设计必将成为我人生旅途上的一个非常美好的回忆！
通过对此课程设计是我认识到，电路设计需要我们耐心，需要缜密的整套思维逻辑，要求我们学会分析。懂得只有理论知识是远远不够的，只有将理论和实践结合起来才能顺利完成。我期盼在今后的学习过程中能让学生更加的接近器材，独立完成很多知识不能只看表面，要深究其真正作用才行，需要不断积累经验。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是得自己亲自动手才能印象深刻。这次的课程设计终于顺利完成了，在设计中也遇到了很多专业知识问题，最后通过老师的辛勤指导，终于迎刃而解了。经过老师的悉心指导，我们学也到了很多实用的知识，在次我表示深深感谢！同时，对给过我帮助和支持的所有同学及各位指导老师再次表示忠心的感谢！四川师范大学成都学院通信原理课程设计 附录1 系统原理图
图1 系统原理图 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 附录2 系统元件清单 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 附录3 系统PCB图
图2 信号发生器图 四川师范大学成都学院通信原理课程设计 参考文献
[1] 康华光、邹寿彬：电子技术基础数字部分（第四版），高等教育出版社，1999.3，P3-P7 [2] 刘光明：现代通信原理，人民邮电出版社，2007.6, P21-P30 [3] 任元、吴勇：《常用电子原件简明手册》，工业出版社，2005.2, P7-P10 [4] 童诗白：模拟电子技术，高等教育出版社，2003.8 , P52-P57 [5]杜肤生：数字集成电路应用，人民邮电出版社，2001.6, P31-P42 [6] 王兆义：电路分析，机械工业出版社，2007.7, P15-P27 [7] 周永金：《模拟电子技术及应用》，陕西锅饭学院电子教研室.2003.5, P135-P141 [8] 陈路、郑毅：PROTEL 99SE 电路板设计与制作，人民邮电出版社，2007年第2期，P21－P28 16
第四篇：低频函数信号发生器设计
实验报告
课程名称：
电子系统综合设计
指导老师：
周箭
成绩：
实验名称：低频函数信号发生器（预习报告）实验类型：
同组学生姓名：
一、课题名称
低频函数信号发生器设计
二、性能指标
（1）同时输出三种波形：方波，三角波，正弦波；（2）频率范围：10Hz～10KHz；
（3）频率稳定性：（4）频率控制方式：
① 改变RC时间常数；
； ② 改变控制电压V1实现压控频率，常用于自控方式，即F=f（V1），（V1=1～10V）； ③ 分为10Hz～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz三段控制。
（5）波形精度：方波上升下降沿均小于2μs，三角波线性度δ/Vom<1%，正弦波失真度
；
（6）输出方式：
a)做电压源输出时
输出电压幅度连续可调，最大输出电压不小于20V 负载RL=100Ω～1KΩ时，输出电压相对变化率ΔVO/VO<1% b)做电流源输出时
输出电流幅度连续可调，最大输出电流不小于200mA 负载RL=0Ω～90Ω时，输出电流相对变化率ΔIO/IO<1% c)做功率源输出时
最大输出功率大于1W（RL=50Ω，VO>7V有效值）具有输出过载保护功能
三、方案设计
根据实验任务的要求，对信号产生部分，一般可采用多种实现方案：如模拟电路实现方案、数字电路实现方案、模数结合的实现方案等。
数字电路的实现方案
一般可事先在存储器里存储好函数信号波形，再用D/A转换器进行逐点恢复。这种方案的波形精度主要取决于函数信号波形的存储点数、D/A转换器的转换速度、以及整个电路的时序处理等。其信号频率的高低，是通过改变D/A转换器输入数字量的速率来实现的。
数字电路的实现方案在信号频率较低时，具有较好的波形质量。随着信号频率的提高，需要提高数字量输入的速率，或减少波形点数。波形点数的减少，将直接影响函数信号波形的质量，而数字量输入速率的提高也是有限的。因此，该方案比较适合低频信号，而较难产生高频（如>1MHz）信号。
模数结合的实现方案
一般是用模拟电路产生函数信号波形，而用数字方式改变信号的频率和幅度。如采用D/A转换器与压控电路改变信号的频率，用数控放大器或数控衰减器改变信号的幅度等，是一种常见的电路方式。
模拟电路的实现方案
是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。由于教学安排及课程进度的限制，本实验的信号产生电路，推荐采用全模拟电路的实现方案。
模拟电路的实现方案有几种：
①用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波。但要通过积分器电路产生同步的三角波信号，存在较大的难度。原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则必须同时改变积分时间常数的大小，要实现这种同时改变电路参数的要求，实际上是非常困难的。
② 由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过函数转换电路，将三角波信号转换成正弦波信号，该电路方式也是本实验信号产生部分的推荐方案。这种电路在一定的频率范围内，具有良好的三角波和方波信号。而正弦波信号的波形质量，与函数转换电路的形式有关，这将在后面的单元电路分析中详细介绍。
四、单元电路分析
1、三角波，方波发生器
由于比较器+RC电路的输出会导致VC线性度变差，故采用另一种比较器+积分器的方式
积分器
同相滞回比较器
由积分器A1与滞回比较器A2等组成的三角波、方波发生器电路如图所示。在一般使用情况下，V+1和V-2都接地。只有在方波的占空比不为50%，或三角波的正负幅度不对称时，可通过改变V+1和V-2的大小和方向加以调整。
合上电源瞬间，假定比较器输出为低电平，vO2=VOL=-VZ。积分器作正方向积分，vO1线性上升，vp随着上升，当vp>0时，即vo1≥R2/R3*,比较器翻转为高电平，vO2=VOH=+VZ。积分器又开始作负方向积分，vO1线性下降，vp随着下降，当vp<0时，即vo1≥R2/R3*,比较器翻转为低电平，vO2=VOH=-VZ。
取C三种值:0.1uF 对应10-100Hz； 0.01uF 对应100-1kHz； 0.001uF 对应1k-10kHz。调节R23的比值可调节幅度，再调节R，可调节频率大小。
2、正弦波转换电路 常用方法有使用傅里叶展开的滤波法，使用幂级数展开的运算法，和转变传输比例的折线法。但前二者由于其固有的缺陷：使用频率小，难以用电子电路实现的原因，在本实验中舍弃，而采取最普遍的折线法。
折线法是一种使用最为普遍、实现也较简单的正弦函数转换方法。折线法的转换原理是，根据输入三角波的电压幅度，不断改变函数转换电路的传输比率，也就是用多段折线组成的电压传输特性，实现三角函数到正弦函数的逼近，输出近似的正弦电压波形。由于电子器件（如半导体二极管等）特性的理想性，使各段折线的交界处产生了钝化效果。因此，用折线法实现的正弦函数转换电路，实际效果往往要优于理论分析结果。
用折线法实现正弦函数的转换，可采用无源和有源转换电路形式。无源正弦函数转换电路，是指仅使用二极管和电阻等组成的转换电路。根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）二极管通路以改变转换网络的衰减比，输出近似的正弦电压波形。
有源正弦函数转换电路除二极管、电阻网络外，还包括放大环节。也是根据输入三角波电压的幅度，不断增加（或减少）网络通路以改变转换电路的放大倍数，输出近似的正弦电压波形。
有
源
正
弦
函
数
若设正弦波在过零点处的斜率与三角波斜率相同，即
则有，由此，可推断出各断点上应校正到的电平值：
方案一，使用二极管控制形成比例放大器，使得运放在不同时间段有不同的比例系数
方案二，用二极管网络，实现逐段校正，运放A组成跟随器，作为函数转换器与输出负载之间的隔离（或称为缓冲级）。
当输入三角波在T/2 内设置六个断点以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在1.8 % 以内，若将断点数增加到12 个时，正弦波的非线性失真度可在0.8 %以内。3 输出级电路 根据不同负载的要求，输出级电路可能有三种不同的方式。
(1)电压源输出方式
电压源输出方式下，负载电阻RL通常较大，即负载对输出电流往往不提出什么要求，仅要求有一定的输出电压。同时，当负载变动时，还要求输出电压的变化要小，即要求输出级电路的输出电阻RO足够小。为此，必须引入电压负反馈
图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V时，则VOPP =±(12 ~ 14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图12（b）所示。
(2)电流源输出方式
在电流源输出方式下，负载希望得到一定的信号电流，而往往并不提出对输出信号电压的要求。同时，当负载变动时，还要求输出电流基本恒定，即要求有足够大的输出电阻Ro。为此，需引入电流负反馈。
图（a）电路的最大输出电压受到运放供电电压值的限制，如运放的VCC 和VEE 分别为±15V时，则VOPP =±(12 ~ 14)V。若要求有更大的输出电压幅度，必须采用电压扩展电路，如图（b）所示。
a）为一次扩流电路，T1 和T2 组成互补对称输出。运放的输出电流IA中的大部分将
图（作为T1、T2 的基极电流，所以IO = βIA。图（b）为二次扩流电路，用于要求负载电流IO 较大的场合。复合管T1、T2和T3、T4 组成准互补对称输出电路。
(3)功率输出方式
在功率输出方式下，负载要求得到一定的信号功率。由于晶体管放大电路电源电压较低，为得到一定的信号功率，通常需配接阻值较小的负载。电路通常接成电压负反馈形式。如用运放作为前置放大级，还必须进行扩流。当RL较大时，为满足所要求的输出功率，有时还必须进行输出电压扩展。
静态时，运放输出为零，– 20V电源通过下列回路：运放输出端→R1 →DZ →b1 →e1 → –20V 向T1 提供一定的偏置电流 R6 ,C3 和R7 ,C4 组成去耦滤波电路。需要注意的是几个晶体管的耐压限流以及最大功率值。
其中调节W可改变晶体管的静态工作电流，从而克服交越失真。
4)输出级的限流保护 由于功率放大器的输出电阻很小，因而容易因过载而烧坏功率管。因此需要进行限流保护。
图（a）是一种简单的二极管限流保护电路，当发生过流（I o过大）时，R3、R4 上的压降增大到足以使D3、D4 导通，从而使流向T1、T2 基极的电流信号I1、I2 分流，以限制I o 的增大。
图（b）是另一种限流保护电路，T3、T4 是限流管。当I o 过大，R5、R6 上的压降超过0.6V时，T3、T4 导通防止了T1、T2 基极信号电流的进一步增大。I o 的最大值为 0.6/R5，R3、R4 用来保护限流管T3、T4。
五、仿真分析
以1KHz为例即C=1nF
三角波方波发生电路
方波下降沿时间4.3μs
三角波峰值
改变RP2
改变RP1
调节占空比
调节偏移量
正弦波转换器
三角波转换正弦波，三角波放大后输出峰峰值10V
静态工作点
改变静态工作点（调节RP45）发生失真
功率放大电路
功率放大波形，输入为之前的正弦波，变阻器衰减后最大不失真输出电压
总电路图，模块形式
衰减前的输入信号与输出信号
由仿真结果来看，基本满足设计要求，准备按仿真电路设计实际电路。
六、仿真心得
在仿真的过程中出现了一下几个问题，但后来都分别排查掉了，希望实际连接时不再犯。
1、运放未接电源导致没有波形
2、变阻器接入阻止过小或过大导致没有信号或失真（尤其需要注意）
3、Lm324故障无法解决导致用了LM353代替
第五篇：函数信号发生器设计实验报告
函数信号发生器的设计
实验报告
院 系：电子工程学院
班 级：2012211209 姓 名：陈炳文 班内序号：
学 号：
0
实验目的：
设计一个设计制作一个可输出方波、三角波、正弦波信号的函数信号发生器。
1，输出频率能在1—10KHz范围内连续可调，无明显失真；
2，方波输出电压Uopp = 12V,上升、下降沿小于10us（误差<20%）； 3，三角波Uopp = 8V（误差<20%）； 4，正弦波Uopp≥1V。
设计思路：
1，原理框图：
2，系统的组成框图：
分块电路和总体电路的设计：
函数发生器是指能自动产生方波、三角波和正弦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，本课题采用由集成运算放大器与晶体差分管放大器共同组成的方波—三角波、三角波—正弦波函数发生器的方法。
本课题中函数信号发生器电路组成如下：
第一个电路是由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路。单限比较器输出的方波经积分器得到三角波；第二个电路是由差分放大器组成的三角波—正弦波变换电路。
差分放大器的特点: 工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等。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的传输特性曲线的非线性。传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。
Ⅰ、方波—三角波产生电路设计
方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，即限制在（Uz+UD）之间。方波经积分得到三角波，幅度为Uo2m=±（Uz+UD）
方波和三角波的震荡频率相同，为f=1/T=āRf/4R1R2C，式中ā为电位器RW的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。即调节RW可改变振荡频率。
根据两个运放的转换速率的比较，在产生方波的时候选用转换速率快的LM318，这样保证生成的方波上下长短一致，用LM741则会不均匀。产生三角波的时候选用LM741。其中R1、Rf的值根据实验要求设定在20K和30K，根据计算可设定R2=5KΩ，C=0.01uF。根据运放两端电阻要求的电阻平衡，选择R4的阻值和R2的相等，即R4=5K欧姆。根据所需要输出方波的幅度选择合适的稳压管和限流电阻R0的大小。稳压管为给定的2DW232，其稳压幅度已经给定。选择限流电阻R0为2Ω。为使ā的变化范围较大，信号的频率范围达到要求，电位器RW选择为1K欧姆范围内可调。
Ⅱ、三角波—正弦波产生电路设计
差动放大器具有很大的共模抑制比，被广泛应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。
差动放大器的设计：
1，确定静态工作点电流Ic1、Ic2、Ic3 静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4= Ic4+2 Ic4/β≈Ic4= Ic3 而 Ir= Ic4= Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/(R+Re4)上式表明恒定电流Ic3主要由电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re4决定，与 晶体管的参数无关。由于差动放大器得静态工作点主要
由恒流源决 定，故一般先设定Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大 器的输入阻抗越高。因此在实验中，取Ic3为1mA。有Ic1= Ic3=1/2 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（在本次取值中可以忽略）Ir为1mA,故取R=20KΩ，Re4=2KΩ。由于镜像电流源要求电阻对称，故取Re3=2KΩ。2，差模特性
差动放大器的输入和输出各含有单端和双端输入两种方式，因此，差 动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。不同的连接方式，电路的特性不同。Rp 的取值不能太大，否则反馈太强，一般取 100Ω左 右的电位器，用来调整差动放大器的对称性。3，三角波—正弦波变换电路
三角波—正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥是电路，二极管可变分压器电路和差分放大器等。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RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE用来 减小差分放大器传输特性曲线的线性区。电容C1,C2,C3为隔直流电容，用单向的大电容不但很好的滤除直流分量，还能避免双向耦合，使输出地波形清晰稳定。C4为滤波电容，以滤除高频信号干扰，改善输出正弦波的波形，减少不确定的信号干扰。
电解电容C1、C2、C3为隔直流电容，为达到 良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，故取 C1=10uF C2=10uF C3=10uF。Rp1调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调 范围应该比较大，故取Rp1=22kΩ。Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为Rb1= Rb2=6.8KΩ。流进T1，T2集电极电流约为0.5mA，为满足其正弦波的幅 度大于1mA，取Rc1= Rc2=5.1kΩ，使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。C4为滤波电容，其值应该满足要求的正弦电压幅度与频率，其值 不能取太大，否则会是幅度太小无法达到要求，故取C4=0.01uF。至 此，电路的设计基本完成，需要在实验中进一步调试电路。
电路的安装与调试：
一，三角波---正弦波转换电路的安装与调试： 安装三角波——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；
3.接入各电容及电位器；
4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。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 C,D 两端电压，当不相等时调节 RP 使其相等；
3.在 C5 端接入示波器观察，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；
二，方波—三角波发生电路的安装与调试：
安装方波—三角波产生电路
1.把 2 块集成运放插入面包板，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。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 RP，微调波形的频率；
3.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部安装。三，总电路的安装与调试：
1.把两部分的电路接好，即把三角波的输出与差动放大器的输入相连接，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 使方波的峰峰值为12伏，三角波为8伏，使正弦波的峰峰值大于 1V。
实验结果：
方波的输出：
输出方波在±7v之间，基本满足实验要求，上升、下降沿9us，满足要求，频率可以通过电位器RP调节，在1-10KHz内输出稳定。
三角波的输出： 输出三角波：
三角波Uopp=8.1V，满足要求
正弦波的输出：
正弦波Uopp≥1v 三种输出波形的输出频率均可在1-10KHz内可调。
故障及问题分析
测试前的电路检验：
1.电路是否正确，对照实验原理图仔细检查。2.测量仪器是否有问题，仪器显示是否正确。3.电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确检查直流极性是否正确，信号线是否连接正确。并且用电压表测试保证直流电源输出符合要求。
4.检查元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、集成电路和电解电容极性等是否连接有误。
测试出现的故障：
1.整个电路比较复杂，连接电路时出现的问题比较多，需要仔细的检查，反复的测试才能得到需要的实验结果。
2.在实验之前需要检查电路的正确性，避免电路连接错误而造成的烧毁电路或是不出波形。
3.实验过程中，面包板可能短路，由于电阻的接线比较长，完全插入后可能错综在一起，造成短路，此时就应利用万用表，挨个检查，更换面包板，插线时不宜过深。
4.在三角波—正弦波转换电路中，即使在调节了电路平衡之后，输出波形也会存在一个偏斜。这时就需要调节RP1使波形变得正常。这个过程就需要调一会才会变化，所以需要有耐心。5.失真问题
在调试过程中，正弦波出现了以下失真，产生失真的原因及采 取的措施如下： 1）钟形失真，传输特性曲线的线性区太宽，应减小 Re。从而减 小了线性区的放大效应。
2）非线性失真，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。本次试 验中可以通过增加 C4 的大小来减小波形的非线性失真。
3)截止失真或饱和失真。这可是由于电路设计时工作点选的不好。也可能是因为，在实际连电路时选取了与设计时的不同值近似。导致工作点的错误。检查电路修改数据是解决的方法。
6.布线以及排版问题 对于可以输出稳定波形的电路，需要简化电路，让电路看起来更美观，更简洁，更清楚，这样有利于检查错误和更改。
实验总结及结论：
本次实验是我第一次将所学的知识很好的用在实验里解决了问题的一个。虽然以前也做过模电实验，但都是按部就班。另外当时模电学的也不是特别明白有些实验对于很多结果都还不清楚。这次虽然有一些设计原理我依然没有完全吃透。但是对于我真正掌握所学知识并应用在实践中是非常有帮助的。
在设计过程中我也查阅了一些资源，对于实验器材以及实验的惯例和常识有了更多的了解。方便自己根据实验需要来选择器材。
在试验中我不仅学会了最基本的面包板的搭建与布线。器材的识别和检测。还在试验中基本解了函数信号发生器电路的组成及设计原理，初步了解了电路设计的方法，熟悉了电路仿真软件protel dxp的使用。利用软件仿真来对搭建电路很有帮助，有事半功倍的效果。而且这些工具都是我们将来在从事相关工作中不可或缺的东西。
总的来说，充分理解实验原理是做好一个实验的最重要的一环，如果不理解电路的原理，就不知道如何去更改参数，去调试电路板，除了原理，还要了解各个器件的特性和用法，比如电源的连线的方式。另外，这次实验培养了我们动手能力。在搭建电路板的时候，需要细心耐心，布局以及连线都很有讲究，不仅要求电路的通畅，还要注意电路板上各个元器件的布局，还有所使用的导线的颜色以及长度，通过这次试验我可以锻炼我们的电路版的搭建能力。这次实验，熟悉了测量仪表的用法，熟悉了电阻，二极管等器件的测量和极性判断方法，这些经验都是宝贵的。后本次实验在耐心与细心上面对我给予启示，在电路搭好以后却出不了波形的时候，要戒骄戒躁，耐心细心的去寻找，去排查，去测试，经过4周的努力拼搏，自己的实验技能有了很大的提高，对于之后完成更加困难的实验增强了信心。俗话说：“读万里书，行万里路。”这样的实践就是一种“行走”的过程。让我们在实践中将知识融会贯通，而不仅仅是纸上谈兵的呆书生。最后，感谢老师对我们实验的悉心讲解和指导。
电路仿真图：
所用仪器及元器件：
仪器：直流稳压电源，示波器，万用表 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：
LM741： 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
参考文献：
《Protel DXP 基础与应用教程》 高明制作 《电子电路综合设计实验教程》 北邮出版社
《电子电路基础》 林家儒主编 北邮出版社
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