1、内蒙古工业大学信息工程学院内 蒙 古 工 业 大 学 信 息 工 程 学 院信号发生器的设计与实现课程设计报告课程名称： 模拟电子技术 班 级： 姓 名： 学 号： 成 绩： 指导教师： 11.摘要信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波） 、正弦波的电路被称为函数信号发生器。在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经
2、常需要用到各种各样的信号波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。 信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波） 、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频） 、视频信号或脉冲信号运载出去，就
3、需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业 、 生 物 医 学 等 领 域 内 ， 如 高 频 感 应 加 热 、 熔 炼 、 淬 火 、 超 声 诊 断 、 核 磁共 振 成 像 等 ， 都 需 要 功 或 大 或 小 、 频 率 或 高 或 低 的 振 荡 器 。函 数 信 号 发 生 器 的 实 现 方 法 通 常 有 以 下（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,它们的功能较少，精度不高，调节方式也不够灵活（3）利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试. 22.函
4、数信号发生器的设计2.1 设计目的（1）学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。（2）掌握方波三角波正弦波函数发生器的原理及设计方法（3）学会函数信号发生器的设计方法和性能指标测试方法。（4）培养实践技能，提高分析和解决实际问题的能力。2.2 设计意义函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发
5、生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。2.3 设计任务及要点可选元件：运算放大器，二极管，电阻、电位器、电容若干，直流电源Vcc=12V，VEE=-12V 等。可用仪器：示波器，万用表，直流稳压源，毫伏表等。要求完成的主要任务: 正弦波 Upp5V，线性失真小。三角波 Upp5V，线性失真小。方波 Upp5V，线性失真小。频率：正弦波要求 1kHz；三角波和方波要求 2kHz。在方波-三角波产生电路的基础上，设计一个锯齿波产生器。 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。计算电路元件参数
6、与元件选择、3并画总体电路原理图，阐述基本原理。 （用 Multisim 画电路原理图并实现仿真） 安装调试并按规范要求格式完成课程设计报告书。2.4.课程设计报告内容2.4.1 电路图设计确定目标：方波、三角波、正弦波的输出。系统分析：根据系统功能，选择各电路所用电路形式。参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。电路图：设计各模块电路，画出电路图。2.4.2 电路仿真电路设计完成后，用仿真软件 Multisim 进行电路的仿真，记录仿真过程，分析仿真结果，对电路进行完善。 2.4.3 设计思路和电路图(1)函数信号发生器设计思路输出端信号，以验证能否达到所规定的指标。产生正
7、弦波可以通过 RC 文氏电桥正弦波振荡电路，通过控制 RC 的值达到选频即控制频率大小的目的。产生的方波经 RC 积分电路后输出，得到三角波，为调节幅值，则用电压跟随器隔离三角波输出端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。要先产生方波，就必须先用电压比较器和稳压管组成方波产生电路，为调节幅值，则用专用的电压跟随器隔离方波产生端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。(2)函数信号发生器原理函数信号发生器是一种用来产生特定需要波形信号的装置，比较常见的有方波、三角波、正弦波和锯齿波发生器。本实验用来产生方波-三角波-正弦波信号。4正弦波发生器：采用 RC 桥式振荡电路实现输出幅值为 5
8、V 的正弦波。 方波转三角波电路：将 RC 积分电路与运放结合，实现方波转三角波。方波发生器:采用电压比较器与稳压管相结合，实现输出幅值为 5V 的方波。锯齿波发生器：通过对方波-三角波的修改使输出为锯齿波。（图一） 正弦波发生电路图（图二）方波-三角波发生电路图5（图三）锯齿波发生电路图Error! No bookmark name given.2.5 电路设计与原理说明2.5.1 正弦波发生电路的工作原理RC 文氏电桥的正弦波振荡电路中，RC 为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。其余部分是带有负反馈的同相放大电路，R 1、R 2、R p
9、构成负反馈网络，调节 Rp课改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使其满足振荡的幅值条件。图中二极管 D1、D 2的作用是有利于正弦波的起振和稳定输出幅值，改善输出波形。当输出电压 v0的幅值很小时，D 1、D 2开路，等效电阻 Rf较大，Avf=Vo/Vp=（R 1+Rf）/R1 较大，有利于起振；而当输出电压 v0 的幅值较大时，二极管 D1、D 2导通，R f减小，A vf随之下降，v 0幅值趋于稳定。2.5.2 方波转三角波电路若 a 点断开，整个电路呈开环状态。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
10、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|=|-6Vee|）, 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。2.5.3 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，
11、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。2.5.4 元器件选择和电路参数计算说明做的电路仿真要求能得出正确的方波，三角波及正弦波的图形，并且应尽量减少 RC
12、 串、并联选频网络中，振荡角频率 0= ,则正弦波的频率 f= =RC1T1，选择的电容值为 0.033F，而所要求的频率值为 1kHz，可以计算出选RC21频网络中的电阻值为 R= =5.1k 。fC21方波三角波的振荡频率相同。电路中，输出方波的幅值由稳压二极管决定，被限制在+Vz-Vz 之间，三角波的幅值 Vo2m= ，因 Vo2 由 0 上升zzR2121到 Vo2m 所需的时间为 1/4T，故 Vo2m= ，如果要维持三角CTdtRzTzz44/021波的幅值不变，则 R1、R2 之比应固定。 ，所要求的频率值为Rf122kHz，因而可以适当的选择电阻值，R1=10k ， R2=20
13、k ，R=5.1k .72.6 电路仿真2.6.1 测试要求做的电路仿真要求能得出正确的方波，三角波及正弦波的图形，并且应尽量减少失真，调节合适的频率，振幅等，使最终能得到尽量完美的波形图。测量的几组频率值也应该和理论值有较小的误差。2.6.2 仿真结果分析(图四） 正弦波波形8（图五）方波波形（图六） 三角波波形9（图七）锯齿波波形（图八）锯齿波产生之前的脉冲波形102.6.3 电路的误差分析与改进本实验有很多的误差存在，正弦波失真。调节 R100K 电位器 RW4，可以将正弦波的失真减小到 1%，若要求获得接近 0.5%失真度的正弦波时，在 6 脚和11 脚之间接两个 100K 电位器就可
14、以了。 输出方波不对称，改变 RW3 阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为 50%的方波，电位器 RW3 与外接电容 C 一起决定了输出波形的频率，调节 RW3 可使波形对称。 没有振荡。是 10 脚与 11 脚短接了，断开就可以了 产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。也有可能是因为 2030 功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。 本次实验的偏置电压为 12V，偏大，容易造成功放和电容的损坏，所以我们应该在设计电路时在加一个限流保护的负载来减小电流，保障电路得安全。3设计总结在本次课程设计选题时，我选择了信号发生器，因为在上电路测试技术基础
15、课时，我就对 RC 电路振荡能够产生各种各样的波形很感兴趣。刚开始着手开始做的时候，我才发现课本上的知识根本就不足以让我有能力去很好的完成这次课程设计。电路测试技术基础课和以前学过的电路理论、模拟电子技术基础上的知识是一种理论上的知识，真正到自己去设计时，各种问题也就接踵而至。在复习以前学过的电路知识的同时，我也加紧学习了Multisim 这款电路设计软件，这是一款对于我来说异常强大的软件，所有以前做的电路实验都可以在这款软件上面完成。我学习了很长时间也不过刚刚懂一些皮毛，仍然不能完全弄懂软件中有些部件的功能。在确定自己可以用这款软件来设计电路的是时候我就开始设计自己的电路图和确定元件的参数了
16、。在搭建电路的时候，我切实体会到了想要把书本上的而知识运用到实际中去是一件十分困难的事情。课本上理所当然的电路以及实验结果在仿真的过程中需要多次进行耐心的调试甚至需要把一切都推到了重新来做。在做正弦波的11发生器时，出来的波形总是被削去了顶，怎么调试都没有用，在检查完电路没有任何问题的时候，我就知道一定是设计上出了问题，于是在经过分析之后发现只要调节滑动变阻器到百分之七十就可以出现完整的正弦波，参考电压的选择错误是我一开始就没有想到的。本来认为完美的电路图，到了出结果的时候却频频出错，波形不稳定也是出现的问题之一，甚至根本就没有波形出现。于是我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性
17、。通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。在设计过程中碰到许多不同的问题，与理论有所差距，明白理论和实践还是有差距的，我们不能只学理论而不实践，要多结合理论进行实践，这样才更加理解掌握知识，把理论应用于实践，从实践中得出结论。4.参考文献电子技术基础实验,陈大钦 罗杰主编,高等教育出版社电子技术基础.模拟部分,康华光主编,高等教育出版社。电子线路设计,谢自美主编,华中科技大学出版社.信号发生电路原理与使用设计 ，林志琦主编，人民邮电出版社电子电路分析与设计 ，劳五一 劳佳主编，清华大学出版社
