电子设计大赛简易信号发生器设计总结报告 - 图文

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。

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（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。

正弦波方波三角波正弦波发生器过零比较器积分器图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。

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D2D1RW50K?R3 R42.2K? 10K?AV0R215K?15K? C20.01?FR1C10.01?F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

f

为了保证电路起振， 31?RR?3

1?RfR?3 3当：R1=R2=R，C1=C2=C时，电路的振荡频率 ：

f起振的幅值条件：

3

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

Rf?RW?(R4//rD)R1f?2?RCR?2 - 3 -

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 。

OHOL

VN R3V0 V0 VVP A VT?VT?Vi R1R2 VDZ?VZ VV0HVi0L图2-3 迟滞比较器 图2-4 迟滞比较器电压传输特性

R1R2由图2-3可知 ： VP?V0?ViR2?R1R2?R1

电路翻转时： 即得： R1NP Vi?Vth??V0 R2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。

V010.022?F VN 3 A1 VP A2R1K?W 50K? 1 K?10 R2DZ Z20K? V?V?0CRV02R?V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：

12P0102 21- 4 - 21RRV?V?VR?RR?R