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函数信号发生器实习报告

电子实习报告

题目：函数发生器的设计

课程：电子实习

专业：电子信息工程

班级：

学号：

姓名：

指导老师：

成绩：

完成日期：2013年5月27日至2013年5月31日

电子实习指导书

-------函数发生器的设计

电子实习报告 (2)

1 函数发生器的总方案及原理框图 (4)

1.1 电路设计方案设计 (4)

1.2 电路设计原理框图 (7)

2设计的目的、任务及时间安排 (8)

2.1 课程设计的目的 (8)

2.4 时间安排 (9)

3 各部分电路设计 (9)

3.1 方波发生电路的工作原理 (9)

3.2 方波---三角波转换电路的工作原理 10

3.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理13

3.4电路的参数选择及计算 (16)

3.5 总电路图 (17)

4电路的安装与调试 (17)

4.1 方波---三角波发生电路的安装与调试17

4.2 三角波---正弦波转换电路的安装与调

试 (18)

4.3 总电路的安装与调试 (19)

4.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析

解决方法 (19)

5电路的实验结果 (20)

5.1 方波---三角波发生电路的实验结果 20

5.2 三角波---正弦波转换电路的实验结果21

5.3 实测电路波形、误差分析及改进方法21 6实验总结 (22)

7仪器仪表明细清单 (24)

8 参考文献 (25)

1 函数发生器的总方案及原理框图

1.1 电路设计方案设计

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路

或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与二阶低通滤波器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，然而这种方法也有几套方案。方案一：首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用折线法将三角波转换成正弦波。此方案在执行时比较困难，原因在于三角波到正弦波的转换上，折线法的参数很难确定。

方案二：首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，将三角波通过滤波电路实现到正弦波的转换。此方案很好，但是没采用，原因在于电路的前面部分比

较繁琐，如果电路太繁琐，那么对后面的结果影响也就更大，会增大误差，故而放弃。

方案三：首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用一个差分电路来实现波形的转换，。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。但是最终不好调试，故而启弃用。

方案四：在方案三的基础上进行了改进，用一个积分电路替代了前面的RC振荡回路，这样做起来就更简洁，焊点较少，那么负面影响也就相对会减小，故而采用了本方案。

本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由二阶低通滤波器来实现。二阶低通滤波器是在一阶的基础上再加上一个RC电路构成，能够很好的抑制低频率信号的通过，从而将处于低频率的三角波转换成为正

弦波，实现波形变换。

1.2 电路设计原理框图

2设计的目的、任务及时间安排

2.1 课程设计的目的

1.进一步巩固简熟悉易信号发生器的电路结构及电路原理并了解波形的转变方法

2.学会用简单的元器件及芯片制作简单的函数信号发生器，锻炼动手能力

3.学会调试电路并根据结果分析影响实验结果的各种可能的因素

4.培养综合应用所学知识来指导实践的能力

2.2 课程设计的任务与要求

1.设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器

2.设计.组装.调试函数发生器；

2.3 课程设计的技术指标

1.频率范围：10Hz-10KHz范围内可调

2.输出电压：方波幅值小于24V；正弦波幅值大于1V；

三角幅值等于8V，占空比可调。

2.4 时间安排

时间任务安排星期一（5.27）查找搜集资料

星期二（5.28）学习研读实验原理

星期三（5.29）组装焊接

星期四（5.30）调试，修改

星期五（5.31）整理, 总结

3 各部分电路设计

3.1 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。

u u I RC ?=

u I

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。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。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。

3.2 方波---三角波转换电路的工作原理

由于集成运放的反相输入端“虚地”，故

u u

-=2

；又由于“虚断”，运放反相输入端的电

流为零，则i i C

=，故R i R i u C

==,由以上几个表达式可得积分电路输入电压和输出电压的关系为：

由于输入的是方波，所以的值为两个状态，当 >0 时，t

u u RC I

，输出波形

以RC

u I

的斜率上升，当 U1<0时，输出波形以RC

u I

的斜率下降。上升和下降的斜率相等所以波形对称，形成三角波。

由以上公式可得比较器的电压传输特性 a 点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为 2

14221

()O O U U dt

R RP C -=

1O CC

U V =+时，2

422422()()()CC CC

O V V U t t

R RP C R RP C -+-=

=++ 1O EE

U V =-时，2

422422

()

()()CC EE O V V U

t t

R RP C R RP C --=

=++

可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。

a 点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为

231O m CC

R U V R RP =+

方波-三角波的频率f 为

2422

4()

R RP

R R RP C

50%

Rp1

50%

Rp2

R17

3.3 三角波---正弦波转换电路的工作原理

VCC

R5R6

R9R11

-12V

VCC

R12

50%

R13

C2 R14

IO2

三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表

明，传输特性曲线的表达式为：

22/1id T C E U U aI I aI e

==+ 0

11/1id T C E U U aI I aI e

-==+

式中 /1C E a I I =≈

I ——差分放大器的恒定电流； T

U ——温度的电压当量，当室温为25

度时，UT ≈26mV 。

如果Uid 为三角波，设表达式为

44434m id

m U T t T U U T t T ???- ?????=?

-???- ?????

022T t T t T ?

?≤≤ ?

????≤≤ ???

式中 Um ——三角波的幅度； T ——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，由图可见：

（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；（2）三角波的幅度Um 应正好使晶体管接近

饱和区或截止区。

（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。

其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路

的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放

大器的线性区。电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输

出波形。

3.4电路的参数选择及计算

实物连线中，我们一开始很长时间调不出来标准的正弦波形，后来将C2从10uf（理论

时可出来波形）换成0.5uf时，调试后效果不是特别明显，又将R7上并联了一个电阻，是电阻变小，衰减变慢。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现，电阻越小，衰减的越慢。

3.5 总电路图

50%R10

50%

Rp1R4

50%

Rp2

4U2

R17

12V

VCC R5R6

R11

-12V

VCC1

R12

50%

R13C5

R14

三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路

4电路的安装与调试

4.1 方波---三角波发生电路的安装与调试 1.安装方波——三角波产生电路

1. 把LM324集成块插入插槽，注意布局；

2. 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；

3. 按图接线，注意直流源的正负及接地端。

2.方调试波——三角波产生电路

1. 接入电源后，用示波器进行双踪观察；

2. 调节Rp2使三角波的幅值满足指标要求；

3. 微调波形的频率；

4. 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部安装。

4.2 三角波---正弦波转换电路的安装与调试

1.安装三角波——正弦波变换电路

1. 在万用板上接入低通滤波电路；

2. 搭生成直流源电路，注意各电阻的阻值选取；

3. 接入各电容及电位器，注意电容型号的选取，尽量选电容值相等的电容；

4. 按图接线，注意直流源的正负及接地端

2.调试三角波——正弦波变换电路

1. 接入直流源后，把C4 接地，利用万用表测试差分放大电路的静态工作点；

2. 测试V1、V2的电容值，当不相等时调节RP4使其相等；

3. 测试V3、V4的电容值，使其满足实验要求；

4. 在C4端接入信号源，利用示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；

4.3 总电路的安装与调试

1. 把两部分的电路接好，进行整体测试、观察

2. 针对各阶段出现的问题，逐个排查校验，使其满足实验要求

4.4 电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法

方波-三角波-正弦波函数发生器电路是由三级单元电路组成的,在装调多级电路时通常按照单元电路的先后顺序分级调试。多调节电位器，了解电阻大小以及波形变化的一般规律。

5电路的实验结果

5.1 方波---三角波发生电路的实验结果