模拟电子课程设计--波形信号发生器

模拟与数字电子技术课程设计报告

设计课题：波形信号发生器

专业班级：电子信息工程学生姓名：指导教师：设计时间：

1002

精选文档

可修改可编辑

题目：信号发生器

摘要

信号发生器又称为波形发生器，是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工电子实验室中经常使用的电子仪器之一。信号发生器可以有多种实现方法，而频率越高产生波形越多的信号发生器越好，可以从信号发生器的制作条件及使用领域方面考虑其实现方法数字系统中需要的特殊信号，如方波、三角波等，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。波形发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。

关键词：正弦波；方波；三角波；低频信号源

引言：信号发生器是科研、教学、制造业中一种最常用的通用仪器，输出波形一般

固定为正弦波、三角波、锯齿波和方波，不能实现有时在实验或工程应用中需要的特殊信号给用户使用带来不便。虽然目前市场上的高性能的任意信号发生器已经出现，但是价格昂贵，对于一般机电控制的用户而言频带不需要很宽。所以一种既能满足一定频率和波形性能要求又价格低廉的超低频任意信号发生器就成为了一种需求。本课题提出一种既能满足使用要求又价格低廉的原理样机设计方案，并对原理样机的性能提出了改进方案。

1设计任务与要求

（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能； （2）正弦波幅值±10V，方波幅值±10V；

（3）三角波峰-峰值20V，各种输出波形幅值在一定范围内可调； （4）输出波形工作频率范围为100HZ~10KHZ，且连续可调。

精选文档

可修改可编辑

2方案设计与论证

方案一∶

采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。 方案二∶

采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率 相信都很难控制。 方案三：

经过思考和讨论，信号发生器主要应用运算放大器组成的滞回比较器积分器和带通滤波器来产生各种信号。这种方法调试方便，功能完备，可输出正弦波、方波、三角波，输出波形稳定清晰，信号质量好，精度高。系统输出频率范围较宽且经济实用。

幅度控制 文氏电桥正弦波 发生器 电压比较器产生方波 积分电路产生三角频率控制 精选文档

可修改可编辑

图1. 正弦波、方波、三角波信号发生器的原理框图

RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法，电路框图如上。

利用文氏电桥反馈型振荡电路产生正弦波，并通过调节选频网络中的RC值来达到频率的控制，接着在发生器后串上一放大电路从而达到幅值的控制；方波的产生利用电压比较器产生，占空比利用改变参考电压来控制，而幅值的控制则在输出端串接一个滑动变阻器来实现，十分方便；三角波则利用积分电路来产生，串接放大电路从而达到幅值的控制。

3单元电路设计与参数计算

3.1单元电路设计

(1)正弦波发生电路的工作原理

图2. 正弦波发生器原理图

精选文档

可修改可编辑

图3. 正弦波发生器工作波形

正弦波发生器电路如图2所示，它由放大电路即运算放大器与反馈网络、选频网络、稳幅环节组成。运算放大器施加负反馈就为放大电路的工作方式，施加正反馈就为振荡电路的工作方式。图中电路既应用了经由R3和R4的负反馈，也应用了经由串并联RC网络的正反馈。电路特性取决于是正反馈还是负反馈占优势。

（2）正弦波—方波转换电路的工作原理

图4. 方波发生器原理图

精选文档

可修改可编辑

图5. 方波发生器工作波形

正弦波转换为方波，采用了电压比较器，通过与反相端输入的参考电压比较输出方波波形，调节参考电压可以改变方波占空比；方波幅值要达到±10V可调则在比较器输出端串接滑动变阻器来调节方波幅值。 （3）方波—三角波转换电路的工作原理

精选文档

可修改可编辑

图6. 方波产生三角波原理图

图7. 三角波发生器工作波形

方波转换成三角波，采用积分电路，并通过正向放大器使其幅值可调。

3.2参数计算

 和频率有关参数的设计 根据稳定振荡条件：

f012RC,在选频网络中，选择C1nF,根据频率的变

化范围100HZ1000HZ计算可变电阻C值如下;

f100Rmax1100HZ2CRmax

11.59M92100110

同理

f1000Rmin110KHZ2CRmin115.9K9210100010

所以选择滑动变阻器的范围在01.59MHZ之间变化,与1nF电容并联，而且保

精选文档

可修改可编辑

持两个滑动变阻器同时变化。

精选文档

可修改可编辑

 负反馈回路参数设计 根据振荡条件:

R42R3

在这由于实际运算放大器的特性并不理想，开环增益有限，故要适当消弱负反

馈，才能真正满足振荡的幅值条件便于起振。因此，实际选用的R4的阻值应比理论值计算值略为大些，或者是R3的理论计算值略为小些，这里取，R310K 。根据标准电阻选择

R422.1K

 稳幅电路的设计及参数计算

为了采取稳幅措施，加入二极管进行稳幅。这是一个自动振幅控制电路，当信号较小时，二极管截止，因此100电阻不起作用，从而R3/R42.21,也就是此时振荡在积累，当振荡不断地增长，这两个二极管以交替半周导通的方式逐渐进入导通的状态，在二极管充分导通的限制下，R3的值会变为并联以后的电阻，使得比值减小，然而，在此极限到达之前，振幅会自动的稳定在二极管导通的某个中间电平上，这里正好满足

R3/R42

4总原理图及元器件清单

4.1总电路图

精选文档

可修改可编辑

图8. 函数发生器总电路图

4.2元件清单

元件 集成运算放大器 二极管 示波器 电容 电阻 电位器 BREAK XSC3 C1=1nF;C2=1nF;C3=100nF R3,R4,R5,R6,R7, R1,R2,R8,R9,R10,R11,R12 2 1 3 5 7 型号 LM324AJ 主要参数 数量 备注 1 精选文档

可修改可编辑

5 安装与调试

5.1安装阶段: 按电路图8进行安装，安装时主要考虑一方面使电路 易读即布

局有序，便于以后查错。另一方面对影响电路参数 或性能的主要元件要考虑在调试阶段方便。

5.2调试： 电路安装好后，检查元件和引线连接无误，即可通电调试，调试可分

粗调和细调两步进行。

（1）粗调

为便于检查，粗调时可将C3断开，分别检查振荡电路和射随器电器部分。振荡电路如果设计和安装无误，接通电源即应起振。输出端可得到正弦信号。若无振荡波形，一般是无正反馈或闭环放大倍数太小。首先检查正反馈支路是否接通，元件是否连接正确。然后则可加大R1，提高闭环增益。若仍不起振，则要检查运算放大器性能是否正常。如果增大R1后起振了，说明负反馈太大，可适当加大R1使振荡波形稳定。正常情况下，改变R1能控制输出幅度。调节双连电位器能改变频率，且波形无明显失真。 注意:粗调时双连电位器应处在中央位置。

（2）细调

粗调完毕，振荡器输出基本处于正常状态，而有正弦波输出，但其频率范围、幅度等不一定符合要求，还需进一步调试。 振荡器的频率主要由RC值决定，当C确定后，改变R阻值 由小到大应满足100Hz~10KHz的频率范围。若低频端达不到要求，说明R4+R5对文氏振荡电路的分流太大， 应适当加大 R4+R5的阻值。若高频端达不到要求，则可适当减小串联电阻510欧的阻值，这个过程往往需要反复进行要有耐心。一个性能良好的振荡器一定要有好的幅频特性。即它在调节振荡频率时，输出电压的幅度保持不变。

6 性能测试与分析

（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。可接加速电容 C1，一般取C1为几十皮法。

精选文档

可修改可编辑

7 结论与心得:

经过本次课程设计，对我在独立思考问题以及对问题的求证方面的能力都有所提高。模电这门课程是一门需要彻底钻进去才能学有所成的课程，要想把它学好，真的需要我们拿出自己那份极其认真的态度和极其刻苦钻研的精神。本次课程设计让我在电子文档的使用方面有了更大的提高，让我对波形发生器的硬件部分和软件部分有了更深层次的了解，通过对课本等一系列的学习以及与参考书的对照，让我明白了不少以前心中有疑惑的地方，这一点很值得庆幸的。特别是本设计中的软件设计部分，让我思路更分清晰的认识及掌握波形发生器比较抽象的部分，从而让我对波形发生器有一个更彻底更清晰的学习。

这次设计我用极其认真的态度去对待，让自己利用这次设计的机会好好的提高，能够有更多的领悟，不枉费老师的谆谆教导，也是对自己负责人的一种表现。在此，我还要感谢我的指导老师，是他的细心和耐心讲解让我少走弯路，又是在他认真负责的指点迷津，让我反复的斟酌，仔细的推敲，才圆满的完成了本次课程设计。真心的感谢老师！

8 参考文献

[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.434-464. [2] 康华光.电子技术基础（数字部分）[M].第五版.北京：高等教育出版社，2006.414-424. [3] 罗先觉，《电路》第5版，高等教育出版社，2006. [4] 刘润华，任旭虎编《电子技术实验与课程设计》. [5] 李翠华.信号发生器的设计.科技广场2009.1.

Title: signal generator

designers: Shi Xiaomeng

mentors: Cui Jin flowers

abstract

signal generator also known as waveform generator, is a standard signal of electronic devices, are frequently used in industrial production and electrical and electronic Labs one of the electronic instrument. Signal generator can has

精选文档

可修改可编辑

multiple achieved method, and frequency more high produced waveform more more of signal generator more good, can from signal generator of produced conditions and the using area aspects consider its achieved method digital system in the needs of special signal, as square wave, and triangle wave,, such as in communications, and broadcast, and TV system in the, are needs RF (high frequency) launches, here of RF wave is carrier, to audio (low frequency), and video signal or pulse signal carrying out, on needs can produced high frequency of oscillation Manager. In the field of industry, agriculture, bio-medical, such as high-frequency induction heating, melting, quench, ultrasound Diagnostics, such as magnetic resonance imaging, you need power or large or small, or high or low frequency oscillator. Waveform generator widely used in major universities and research establishments. With the advances in science and technology, social development, a single waveform generator can no longer meet the needs of the people, and we design the multiple waveform generator.

精选文档

可修改可编辑

Keywords: sine wave; wave; triangle waves; low-frequency signal source . .

精选文档