函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和調(diào)測(cè) 實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué)院： 信息與通信工程學(xué)院 姓名： 劉逸群班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 一、 摘要 方波與三角波發(fā)生器由集成運(yùn)放電路構(gòu)成， 包括比較器與 RC 積分器組成。 方波發(fā)生器的基本電路由帶正反饋的比較器及 RC 組成的負(fù)反饋構(gòu)成；三角波主要由積分電路產(chǎn)生。 三角波轉(zhuǎn)換為正弦波， 則是通過(guò)差分電路實(shí)現(xiàn)。 該電路振蕩頻率和幅度便于調(diào)節(jié)， 輸出方波幅度大小由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定， 方波經(jīng)積分得到三角波； 而正弦波發(fā)生電路中兩個(gè)電位器實(shí)現(xiàn)正弦波幅度與電路的對(duì)稱性調(diào)節(jié)， 實(shí)現(xiàn)較理想的正弦波輸出波形。 二、 關(guān)鍵詞： 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 方波 三角波 正弦波 三、 設(shè)計(jì)任務(wù)要求： （1） 基本要求： a) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)可輸出正弦波、 三角波和方波信號(hào)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生 器。 1） 輸出頻率能在 1-10KHz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)， 無(wú)明顯失真； 2） 方波輸出電壓 Uopp=12V， 上升、 下降沿小于 10μs， 占空比可調(diào)范圍 30%-70%； 3） 三角波 UOPP=8V； 4） 正弦波 Uopp≥1V。
b） 設(shè)計(jì)該電路的電源電路（不要求實(shí)際搭建），用 軟件繪制 完整的電路原理圖（SCH） (2) 提高要求： a） 三種輸出波形的峰峰值 Uopp均可在 1V-10V 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 b） 三種輸出波形的輸出阻抗小于 100Ω 。 c） 用 軟件繪制完整的印制電路板圖（PCB）。 (3) 探究環(huán)節(jié)： a) 能否提供使所設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器顯示出當(dāng)前輸出信號(hào)的種類、 大小和頻率的實(shí)驗(yàn)演示或詳細(xì)設(shè)計(jì)方案；（提示： 三種波形從同一個(gè)端口輸出函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的使用步驟，再用發(fā)光管之類的東西指示當(dāng)前輸出波形） b) 能否提供其他函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案？ 如果能提供， 請(qǐng)通過(guò)仿真或?qū)嶒?yàn)結(jié)果加以證明。 四、 設(shè)計(jì)思路與總體結(jié)構(gòu)框圖 1、 原理框圖：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)方波、 三角波和正弦波的輸出， 其可采用電路圖有多種。 此次實(shí)驗(yàn)采用遲滯比較器生成方波， RC 積分器生成三角波， 差分放大器生成正弦波。 除保證良好波形輸出外， 還須實(shí)現(xiàn)頻率、 幅度、 占空比的調(diào)節(jié)，即須在基本電路基礎(chǔ)上進(jìn)行改良。 由比較器與積分器組成的方波三角波發(fā)生器函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的使用步驟， 比較器輸出的方波信號(hào)經(jīng)積分器生成三角波， 再經(jīng)由差分放大器生成正弦波信號(hào)。
其中方波三角波生成電路為基本電路， 添加電位器調(diào)節(jié)使其頻率幅度改變； 正弦波生成電路采用差分放大器，由于差分放大電路具有工作點(diǎn)穩(wěn)定、 輸入阻抗高、 抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 特別是作為直流放大器時(shí)， 可以有效地抑制零點(diǎn)漂移， 因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。 2、 系統(tǒng)的組成框圖五、 分塊電路與總體電路的設(shè)計(jì)： 1、 方波-三角波產(chǎn)生電路 上圖所示為方波-三角波基本產(chǎn)生電路。 由于采用了運(yùn)算放大器組成的積分電路， 可得到比較理想的方波和三角波。該電路振蕩頻率和幅度便于調(diào)節(jié)， 輸出方波幅度的大小由穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值決定，即限制在±（UZ + UD） 之間。 方波經(jīng)積分得到三角波， 幅度為 Uo2m =±R1/Rf*(Uz + UD) 改變 R1與 Rf的比值可調(diào)節(jié) Uo2m的大小 方波和三角波的振蕩頻率相同， 為 f = 1/T =α Rf/ 式中α 為電位器的滑動(dòng)比（即滑動(dòng)頭對(duì)地電阻與電位器總電阻之比）。 調(diào)節(jié)電源電路 方 波 - 三 角 波發(fā)生電路 正弦波發(fā)生電路 方波輸出 三角波輸出 正弦波輸出 電位器可改變振蕩頻率。 電路元件的確定: (1) 、 根據(jù)所需振蕩頻率的高低和對(duì)方波前后沿陡度的要求， 選擇電壓轉(zhuǎn)換速率 SR合適的運(yùn)放。
（2）、 根據(jù)所需輸出方波幅度的要求， 選擇穩(wěn)壓值合適的穩(wěn)壓管型號(hào)和限流電阻 Ro 的大小。 （3）、 根據(jù)輸出三角波的幅度要求， 確定 R1 與 Rf的大小R1 = UO2M/(Uz + UD) Rf （4）、 根據(jù)所要求的振蕩頻率確定 R ： C 的值R2C = α Rf/4fR1 其原理如下圖， 由波形得：2、 三角波-正弦波產(chǎn)生電路 實(shí)驗(yàn)采用差分放大電路， 利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性， 以實(shí)現(xiàn)三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。 如圖所示為差分放大器傳輸特性曲線 由上圖可知： （1）、 差分放大器傳輸特性曲線越對(duì)稱， 線性區(qū)越窄越好； （2）、 三角波的幅度應(yīng)正好使晶體管接近截止區(qū)。 如圖為三角波-正弦波發(fā)生電路。 其中 Rp1 調(diào)節(jié)三角波的幅度， Rp2 調(diào)整電路的對(duì)稱性， 其并聯(lián)電阻 RE 用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。 電容 C1,C2,C3 為隔直電容， C4 為濾波電容， 以濾除諧波分量， 改善輸出波形。 這些器件使得輸出波形更接近正弦波。 差動(dòng)放大器具有很高的共模抑制比， 被廣泛地應(yīng)用于集成電路中， 常作為輸入級(jí)或中間放大級(jí)； 其特性使得可將頻率很低的三角波變換成正弦波。
波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 分析表明， 傳輸特性曲線的表達(dá)式為：022/???011/?IaI??? 式中 /?? 0I ——差分放大器的恒定電流； TU ——溫度的電壓當(dāng)量， 當(dāng)室溫為 25oc 時(shí)， UT≈26mV。 如果 Uid 為三角波， 設(shè)表達(dá)式為??????????????????????? T? ?????????????? ? 式中 Um——三角波的幅度；T——三角波的周期。 3、 提高之三角波幅度可調(diào)： 一者可以在 Uo2 的輸出口接上一個(gè)分壓電路（使用滑阻）， 這樣只改變輸出三角波幅值， 不會(huì)影響其他電路。 二者可以利用三角波產(chǎn)生的原理， 改變 R1 和 Rf 的比值。 考慮到后者實(shí)現(xiàn)的難度稍小， 所以采用第二種方法， 在 Rf 支路上串聯(lián)一個(gè)10K 歐的滑阻， 最后可以實(shí)現(xiàn)賦值及頻率同時(shí)可調(diào)。 4、 方波占空比可調(diào)： 只需改變正負(fù)積分電路的積分常數(shù)即可， 由此聯(lián)想到鋸齒波電壓的產(chǎn)生電路， 將R2 替換為兩條支路， 用不同方向的二極管控制電路的通斷。
最后成功輸出鋸齒波電壓和占空比可調(diào)的方波電壓。5、 總體電路 由以上實(shí)驗(yàn)圖可知， 可利用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的三角波輸入以生成正弦波， 從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)波形的輸出。 將以上兩個(gè)電路圖連接起來(lái)得到如下圖實(shí)驗(yàn)電路圖。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求可知， 所得方波占空比可調(diào)， 因此在原有電路基礎(chǔ)上， 添加二極管和電位器， 使得占空比可調(diào)得以實(shí)現(xiàn)。六、 實(shí)現(xiàn)功能說(shuō)明： （1）、 已實(shí)現(xiàn)功能 通過(guò)萬(wàn)用表， 毫伏表， 以及示波器測(cè)量： 輸出方波在±6. 12v 之間（無(wú)法取到精確阻值電阻， 存在較小誤差）， 基本滿足實(shí)驗(yàn)要求， 上升、 下降沿小于10us， 頻率可以通過(guò)電位器調(diào)整， 在 1-10KHz 內(nèi)輸出穩(wěn)定， 占空比電路設(shè)計(jì)出，但未調(diào)試成功。 輸出三角波： 三角波 Uopp=8. 03V 輸出正弦波： 正弦波 Uopp≥1v 三種輸出波形的輸出頻率均可在 1-10KHz 內(nèi)可調(diào)。 在前幾次實(shí)驗(yàn)中， 并無(wú)明顯失真； 在驗(yàn)收時(shí)， 正弦波出現(xiàn)了較為明顯失真。 (2) 、 主要測(cè)試數(shù)據(jù)與測(cè)試方法 方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級(jí)單元電路組成的, 在裝調(diào)多級(jí)電路時(shí)通常按照單元電路的先后順序分級(jí)裝調(diào)與級(jí)聯(lián)。
分析電路主要關(guān)注的數(shù)據(jù)為靜態(tài)下的電流電壓值， 保證電路安全， 使得輸出波形比較理想。 首先方波-三角波產(chǎn)生電路中使用了兩個(gè)運(yùn)放器件， 需注意接地， 且調(diào)節(jié)使得電路中電流值不可過(guò)大， 以防使器件損壞。 同時(shí)需注意若選用電阻過(guò)大， 電路中電流則會(huì)因?yàn)檫^(guò)小而使得無(wú)法出現(xiàn)波形。 同時(shí)由于電路中使用了電容器件， 電容值也會(huì)影響波形， 同時(shí)也與頻率有關(guān)， 因此電容值不可過(guò)大或過(guò)小。 對(duì)于差動(dòng)放大器， 該電路需進(jìn)行靜態(tài)調(diào)整。 第一： 通過(guò)調(diào)節(jié) RP 調(diào)節(jié)電路的對(duì)稱性。 理想的差動(dòng)放大器靜態(tài)時(shí)應(yīng)是輸入為零時(shí)輸出也為零， 即當(dāng) T1與 T2的兩個(gè)基極電位差為零時(shí)， T1與 T2的兩個(gè)集電極的電位差也應(yīng)為零。 但是由于電路的參數(shù)不可能完全對(duì)稱， 因此會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)基極電位差為零時(shí)兩個(gè)集電極的電位差不為零的情況， 所以需通過(guò)條令電位器 RP 進(jìn)行靜態(tài)調(diào)零， 使電路輸入為零時(shí)輸出也為零。 具體調(diào)節(jié)方法可采取用萬(wàn)用表或示波器進(jìn)行調(diào)零監(jiān)測(cè)。 第二： 通過(guò)調(diào)節(jié)恒流源改變電路的靜態(tài)工作電流。 差動(dòng)電路中 T1與 T2的靜態(tài)工作電流由恒流源偏置電路決定， 可以改變恒流源偏置電路中的電阻來(lái)改變各個(gè)晶體管的靜態(tài)工作電流。
此些完成后便需對(duì)電路中各個(gè)晶體管進(jìn)行調(diào)試， 測(cè)得各個(gè)晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)。七、 故障及問(wèn)題分析 1、 方波的峰峰值過(guò)低或者過(guò)大， 穩(wěn)壓管沒(méi)有起到相應(yīng)的作用。 通過(guò)不斷改變 Ro 的值（由于 Rw 改變不方便， 還調(diào)過(guò)它） 最終得到滿足要求的波形。 2、 三角波的上升沿比較粗， 下降沿比較細(xì)。 通過(guò)改變 R2 和 C1 的值不斷改變波形頻率， 最后得到相對(duì)對(duì)稱的三角波上升下降沿。 3、 后級(jí)在直流工作點(diǎn)正常的情況下， 沒(méi)有正弦波的輸出波形。 通過(guò)逐段測(cè)試發(fā)現(xiàn)在信號(hào)經(jīng)過(guò) Rp1 后就已經(jīng)為零了 ， 這個(gè)滑阻本應(yīng)是調(diào)節(jié)正弦波的幅度的， 但粗淺分析應(yīng)該會(huì)影響到前級(jí)的積分電路， 將之換上一個(gè)調(diào)節(jié)方便的 10K 歐電阻， 調(diào)解過(guò)程中發(fā)現(xiàn)確實(shí)有所影響， 在不斷調(diào)節(jié)下得到了輸出的正弦波波形。 4、 正弦波輸出端輸出的是三角波電壓或是類似于香蕉波的波形， 解決方式是調(diào)整濾波電容的值， 使之達(dá)到濾波的效果， 最后輸出比較圓滑的正弦波。 5、 在調(diào)節(jié)輸出電壓頻率的時(shí)候， 最后的正弦波電壓輸出幅度會(huì)有較大的改變， 這應(yīng)是后級(jí)差放電路還不夠穩(wěn)定， 幾個(gè)電容的值還不是很好導(dǎo)致的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)已經(jīng)驗(yàn)收了， 后來(lái)也就沒(méi)有調(diào)測(cè)。
八、 總結(jié)和結(jié)論 此次的電子電路綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)歷時(shí)四個(gè)周， 從第一周的原理設(shè)計(jì)到第二、 三周的功能實(shí)現(xiàn)， 再到第四周的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)收和答辯， 我經(jīng)歷了很多， 發(fā)現(xiàn)了很多自己的不足， 學(xué)會(huì)了很多， 我的能力提高了很多。 第一周中主要是選題和原理的設(shè)計(jì), 在選擇了 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與調(diào)測(cè)后， 我查閱了一些關(guān)于運(yùn)放和差放的知識(shí)， 根據(jù)實(shí)驗(yàn)教程上的知識(shí)設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)原理圖， 并通過(guò)計(jì)算得到了最初的元器件參數(shù)； 在第二、 三周中我開(kāi)始搭電路， 第一遍搭完時(shí)小錯(cuò)誤很多， 都是一些線路上的小問(wèn)題。 每天晚上對(duì)電路進(jìn)行檢查，這樣在第三周順利得到了波形。 第四周的驗(yàn)收非常的順利， 驗(yàn)收時(shí)得到的波形滿足實(shí)驗(yàn)的要求。 在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 我有很多不足之處， 首先我對(duì)軟件的應(yīng)用不是很熟練， 經(jīng)常會(huì)遇到一些問(wèn)題， 比如說(shuō) PCB 電路板圖怎樣生成， 如何翻轉(zhuǎn)元器件（不是旋轉(zhuǎn)）等等。 其次對(duì)于元器件的認(rèn)識(shí)不夠深， 這導(dǎo)致在搭電路的過(guò)程常常會(huì)遇到接錯(cuò)的情況， 一點(diǎn)的失誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。 最后是我的布局觀不強(qiáng)， 第一遍搭完的電路很混亂， 經(jīng)過(guò)了修正才顯得有條理。 實(shí)踐出真知， 通過(guò)這次綜合性設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)， 在發(fā)現(xiàn)不足的同時(shí)， 我學(xué)會(huì)了很多東西， 我的能力得到了很大程度的提高。
其中最關(guān)鍵的是動(dòng)手能力的提高， 第一次用面包板， 第一次嘗試做集成電路， 第一次通過(guò)自己的努力完成了函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與調(diào)試使我將以前學(xué)習(xí)的理論知識(shí)與實(shí)際相結(jié)合， 在鞏固理論知識(shí)的同時(shí)， 提高了動(dòng)手能力。 實(shí)驗(yàn)需要耐心， 記得在第三周的實(shí)驗(yàn)課上我花了三個(gè)小時(shí)的時(shí)間就只調(diào)出了方波， 不過(guò)當(dāng)調(diào)出到那一瞬間我無(wú)比的滿足。 總的來(lái)說(shuō)這次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成的相當(dāng)?shù)捻樌?這是我的第一次綜總的來(lái)說(shuō)這次的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成的相當(dāng)?shù)捻樌?這是我的第一次綜合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)， 但不是最后一次， 因此在今后的學(xué)習(xí)中， 我應(yīng)該注重這方面的培養(yǎng)， 多學(xué)些 DXP 軟件方面的知識(shí)， 為以后的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以及將來(lái)的研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 九、 繪制的原理圖 （1） 整體電路原理圖： （2） PCB 板：（3） 3D 圖板： （4） 實(shí)物效果 方波： 三角波： 正弦波： 連接圖： 十、 所用元器件及測(cè)試儀表清單 儀器： 直流穩(wěn)壓電源， 示波器， 萬(wàn)用表 元器件：相關(guān)元件參數(shù)： LM318 芯片： 輸入失調(diào)電壓 4mV；偏置電流： 150nA 增益帶寬積： 15MHz轉(zhuǎn)換速率： 70V/uS 耗電流： 5mA電源： +/- 芯片： LM741： 輸入失調(diào)電壓 0. 8mV；偏置電流： 30nA 增益帶寬積： 1. 5MHz轉(zhuǎn)換速率： 0. 7V/uS 耗電流： 1. 7mA電源： +/-3V --- +/-22V三極管： 8050十一、 參考文獻(xiàn) 【1】 劉寶玲. 電子電路基礎(chǔ), 1 版. 北京： 高等教育出版社， 2006. 【2】 童詩(shī)白， 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)， 3 版. 北京： 高等教育出版社, 2001. 【3】 北京郵電大學(xué)電子綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教程. 北京郵電大學(xué)電路中心. 【4】 王成華， 王友仁. 電子技術(shù)基礎(chǔ)教程. 北京: 科學(xué)出版社， 2003. 【5】 穆秀春， 馮新宇. 原理圖與 PCB 設(shè)計(jì). 電子工業(yè)出版社，2011.