简易信号发生器

摘  要

函数发生器是一种在科研和生产中经常用到的基本波形产生器，集成函数波形发生器一般都采用ICL8038或5G8038，而它们只能产生300kHz以下的中低频正弦波、矩形波和三角波，且频率与占空比不能单独调节，从而给使用带来很大不便。本文介绍由LM324和稳压管组成的函数波形发生器，该电路能够产生正弦波、方波和三角波信号，频率能扩展至0.0lHz一1MHz。

关键词： 函数波形发生器；LM324；电位器；稳压管；二极管；

第一部分：系统需求分析

一、概论

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，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。

 本设计要求实现一个信号发生器，能够产生正弦波，三角波和方波；信号源的输出可以是电压型或电流型。

二、技术指标

1、频率范围1Hz~10MHz；

2、频率可调——每次小于10HZ；

3、幅度范围2mV~10V；

4、稳定度小于0.001；

5、波形失真度小于3%。

三、要求

1、产生正弦波,方波，三角波；

2、频率可调；

3、幅度可调。

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。

函数信号产生方案

对于函数信号产生电路，一般有多种实现方案，如模拟电路实现方案、数字电路实现方案(如DDS方式)、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。

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，本实验的函数信号产生电路采用全模拟电路的实现方案。

对于波形产生电路的模拟电路的实现方案，也有几种电路方式可供选择。本实验选用最常用的，线路比较简单的电路加以分析。如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，其电路框图如图2-1所示。

 

图2-1模拟电路实现方案框图

第三部分：电路设计与参数选择

RC桥式正弦振荡电路：RC桥式正弦振荡电路如图2-2所示。其中R1、C1和R2、C2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。R3、RW及R4组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

 

图2-2   RC桥式正弦振荡电路

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、RW及R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。

为了维持振荡输出，必须让

 

为了保证电路起振，

  

当：R1=R2=R，C1=C2=C时，电路的振荡频率 ：

起振的幅值条件：

 

比较器：

迟滞比较器的电路图如图2-3所示。该比较器是一个具有迟滞回环传输特性

的比较器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压V0的变化而变化。在实际电路中为了满足负载的需要，通常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的      和       。

 

图2-3  迟滞比较器            图2-4 迟滞比较器电压传输特性

 

由图2-3可知 ：  

              

电路翻转时：                    即得：

方波和三角波发生器由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。如图2-5所示为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生器。

 

图2-5 方波和三角波发生器电路

方波和三角波发生器的工作原理：

A1构成迟滞比较器

同相端电位Vp由VO1和VO2决定。利用叠加定理可得：

当 Vp＞0时，A1输出为正，即VO1 = +Vz；当 Vp＜0时，A1输出为负即VO1 =-Vz。

A2构成反相积分器

VO1为负时，VO2 向正向变化，VO1 为正时，VO2 向负向变化。假设电源接通时VO1=-Vz，线性增加。

 

当：                         时，可得：

 

当VO2上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到VO1=+Vz。

 

同样：                  时

当VO2下降到使Vp略低于0时，VO1 =-Vz 。这样不断的重复，就可以得到方波VO1和三角波VO2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值±Vz之间。

 

电路的振荡频率：

方波幅值：      =±

三角波幅值：       = 

调节       可改变振荡频率，

但三角波的幅值也随之而变化。

图2-6 三角波发生器波形图

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如左图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。

每一组运算放大器可用图3-1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图3-2。

   

图3-1             图3-2       图3-3 各对应管脚

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。如下图3-3各对应管脚。

第四部分：测试方法与数据记录

按照图4-1所示连接电路，首先将K1断开、K2闭合分别进行RC桥式正弦波振荡器和方波、三角波发生器的调试。然后将K1闭合、K2断开进行函数信号发生器电路的联调。

图4-1函数信号发生器实验电路

我们的测试分为两部分。

第一部分是在电路仿真软件Multisim7上对原理图进行验证 ，具体情况如下所述：

1、RC桥式正弦波振荡器

按照正弦波发生电路（图 4-1），在Multisim7中搭建好原理图 。在仿真的过程中我们发现：当R4=2K（2K是我们的实验前的计算理论值）时，缓慢调节电位器RW1，我们发现，不容易达到起振的条件；于是我们增大R4的值，使它等于4.7K,这时当我们再次调节RW1电阻时，很容易使电路起振，并且我们得到了很好的正弦波形。仿真的波形如图5-1所示：

图5-1 正弦波仿真效果图

2、方波、三角波发生器

按照方波、三角波发生电路（图 4-1），在Multisim7中搭建好原理图。当R8等于47K（47K是我们的实验前的计算理论值）时，缓慢调节电位器RW2，我们发现，很难达到起振的目的；于是我们在仿真环境下调节R8的值，使它等于200K,这时当我们再次调节RW1电阻时，很容易使电路起振，并且我们得出了一系列数据。在仿真条件下方波、三角波发生电路产生的波形如图5-2所示。

a) 方波仿真效果图

b) 三角波仿真效果图

图5-2 方波、三角波仿真效果图

     通过仿真我们发现，原理图方案是可行，可以达到设计的效果。

第二部分是根据仿真的数据搭建正弦波、方波、三角波发生电路的实物电路板（如图5-3所示），并在示波器上观察各部分输出的波形。通过对实物电路的调试，通过调节位器RW1、RW2的值可以从示波器上观察到预计的波形（如图5-4所示）。同时，通过改变实物电路的参数可以对输出波形的幅值和频率进行调节，得到不同幅值和频率的波形。

图5-3 波形发生电路板图

a) 正弦波

b) 方波

c) 三角波

图5-4 各波形产生电路输出的实际波形图

第五部分：测试结果分析与总结

在小组成员的共同努力下，我们已经成功完成了正弦波、方波、三角波电路的设计与实现。通过仿真与实际电路的调试都表明设计的电路原理正确，效果也很明显。由于时间比较紧，对于电路的定量分析方面的工作还有待于进一步深入。

总结本次大赛的经历，我们收获颇多。在这几天的时间里，我们做了很多事，在做事的过程中学到了很多。首先我们选择课题，布置了实验室；借来了相关实验仪器如示波器等。其次，我们进行了理论计算，查找相关资料，进行分析。并以此为依据购买实验元件。然后我们根据实际情况进行了三次调试:第一次、在面包板上进行实物搭接调试，这时我们发现实验误差大，不稳定且外界干扰大；第二次，我们用Protel 99SE,Multisim 7软件进行模拟仿真；并对原先的电容、电阻进行改进，使波形达到最佳效果；第三次，我们按照仿真最佳组合进行电路的焊接、调试，由于器材的有限和不足，输出波形并未达到完全的预期效果。如果有充分的时间和非常理想的实验设备和元器件，相信输出的波形会达到最佳的状态。

参考文献

[1]电子工程师手册 北京 机械工业出版社 1995，电子工程师手册编辑委员会编

[2]Protel 99 SE 电路设计实用手册 余家春 编著 中国铁道出版社

[3]电工电子实践初步 李桂安 主编 南京，东南大学出版社

[4]电路设计Protel 99及仿真 北京，中国铁道出版社 曾祥富主编，2000

[5]Multisim电路仿真 王林根主编 高等教育出版社 2003

[6]6502/6502A/6504/6506系列20/40/60MHz双通道四踪示波器 操作手册

[7]电工技术 王岩 编著 高等教育出版社 2001

[8]电子工艺 王卫平 等编著 北京 电子工业出版社 2000

[9]（日）岩本洋，电子技术、通讯技术常用公式及运用 周贤鸿 译，北京：人民邮电出版社

第二篇：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

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：

                                        

                       

                                          

 

图1

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。

                                        

                       

                                          

 

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。

     

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

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,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

    

 令,则阈值电压

                     

 

          图 5                             图6

     积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压而不是+就是所以输出电压的表达式为

                 式（1）

式中为初态时的输出电压。设初态时正好从跃变为+则式（1）为

                                  式（2）

积分电路反向积分，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，一旦再稍减小，将从+跃变为。使得式（1）变成为

                    式(3)

为产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，随时间的增长线性增大，根据图2.1.1所示的电压传输特性，一旦再稍增大，将从跃变为+，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，终了值为,积分时间为二分之一周期，将它们带入式（3），得出则  

式中,经整理可得出振荡周期         

振荡频率   

     由上述分析可知，是方波，幅值为；是三角波，幅值为，如图2.1.3所示。

2.有源二阶低通滤波电路

工作原理分析

                        图7

     图7为压控电压源二阶低通滤波电路。在输入三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下，可以采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波

             

而M点电流方程为

 

P点电流方程为  

故  ,

代入式（2.4）中，并与及整理得，

                   式（1）

令式（1）中分母的模为，可解出通带截止频率为

将三角波作为压控电压源二阶低通滤波电路的输入，则输出为正弦波，如图2.3.2。将三角波按傅立叶级数展开，

       

其中，的频率等于的频率。

       图8

参数的计算及器件的选择

令，C2=C3=0.1uF，取上限截止频率为250HZ，要使AUP<3，，取==10K满足条件 

3.全波整流电路

工作原理分析

                           图9

      如图9全波整流电路由集成运放U2B，二极管电阻R10、R11、R12、R13构成的半波整流电路和由集成运放U2A，电阻R14、R15、R16、R17构成的反向求和电路组成全波整流电路。

    对于半波整流电路，当>0时，<0,从而导致二极管D1导通而D2截止,电路实现反相比例运算,输出电压                        

当<0时，>0,从而导致二极管D2导通而D1截止,中电流为零,因此输出电压=0 ，

对于反相求和电路

当>0时, ,

当<0时, ,

    所以全波整流电路的输出为,理想波形如图2.4.2所示。

图10   

第四部分：测试方法与数据记录

1.测试方法：

（1）未上电前，认真检测焊接后的电路板是否焊接正确，同时检查线路内部是否出现断路、短路、虚焊等问题。

（2）接通电源，观察是否有冒烟、烧断、烧焦、跳火、发热等不正常现象。如有发现，一定要先断电，再查线路。

（3）检查所有芯片的电源脚和接地脚是否正确。用万用表表笔检测各芯片的工作电压是否正常。

（4）以上检查完毕后，接通电源检测电源电路部分，能检测到12V电压。

（5）将电源电路部分与函数信号发生器部分连好，装上芯片，在示波器上未能检测到正弦波波形，只检测到直流电压。检查PCB电路连接问题，发现LM324的第10管脚未连接，改正后，就可检测到波形。

（6）检测点 、、、输出方波，三角波，正弦波，全波。

2.数据记录:

（1）波形记录

方波波形

三角波波形

正弦波波形

全波波形

（2）实验数据

第五部分：测试结果分析与总结

在小组成员的共同努力下，我们已经成功完成了正弦波、方波、三角波电路的设计与实现。通过仿真与实际电路的调试都表明设计的电路原理正确，效果也很明显。由于时间比较紧，对于电路的定量分析方面的工作还有待于进一步深入。总结如下：

1、在测试点测得方波,测得三角波,测得正弦波,测得全波,各测试点所得波形与理论基本一致，但是由于电阻电容的离散性, 、的输出波形与理论有所偏差，但在误差范围内，以上波形频率满足要求。

2、通过此次课程设计使我更加了解LM324、LM358芯片的运用。对于波形发生电路、信号处理电路和运算电路的相关知识也得到深刻理解。经过使用万能板，在布板和焊接技术上都有所提高，并且提高了对仪器的操作使用，增强了动手能力。

第六部分：参考文献

[1] 清华大学电子学教研组编，童诗白、华成英主编.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2006.

 [2]Protel 99 SE 电路设计实用手册 余家春 编著 中国铁道出版社