函数发生器的设计

1.课程设计的目的和任务

设计目的

函数发生器作为电子教学中一种必不可少的实验仪器，在很多的实验中都要用到它，它可以产生正弦波、方波、三角波和锯齿波，通过对它的学习和制作，可以使我们更好的掌握它的内部构造和基本原理，同时本次课程设计还具有以下几点意义：

（1）掌握电子系统的一般设计方法；

（2）培养综合应用所学知识来指导实践的能力；

（3）掌握常用元器件的识别和测试；

（4）熟悉常用仪表并且了解电路调试的基本办法。

（5）通过焊接实物来提高自己的动手能力，通过实物调试来提高自己的分析和总结能力

课程设计的要求及技术指标

（1）设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器

（2）频率范围三段：10～100Hz，100 Hz～1KHz，1 KHz～10 KHz；

（3）正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；

（4）输出电压幅度连续可调，线性失真小；

（5）设计、组装、调试函数发生器；

（6）焊接实物；

（7）撰写课程设计报告。

2 总体电路方案设计与选择

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、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(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。

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。下面对不同的方案做一个对比。

方案对比

方案一：由RC桥式电路振荡产生正弦波，再经整形积分产生方波和三角波。

图1 方案一

优点：RC桥式电路适合于产生低频振荡信号，振幅和频率较稳定，频率调节方便。

缺点：用RC桥式电路及整形积分电路构成的函数发生器所产生的信号难控制，不易调试，信号幅度的调节不是很方便。通过仿真的结果来看，当频率较高时，输出的波形产生了较大的失真，不符合设计的要求。

方案二：用ICL8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后ICL8038

的9、3、2引脚就可分别产生方波、三角波、正弦波，频率调节部分通过其它的引脚接外电路来完成.然后从ICL8038出来经过选择开关选择所需波形进入LM31D8进行放大和幅度调节，最后从LM31D8出来的波即为频率和幅度可调的方波，三角波和正弦波。

图2方案二

优点：电路结构简单，频率调节方便，波形失真较小，精度很高

缺点：LCL8038是集成电路，它的内部有完整的产生正弦波、方波、三角波的电路，不易分析内部构成原理，十分复杂，如果运用此芯片，则不能很好的将我们所学到的基本运放知识应用于实践，达不到课程设计的根本目的，同时LCL8038比较贵，成本较高。

方案三：利用比较器产生方波，后用积分器产生三角波，经过有源一阶低通滤波器产生正弦波。

图3 方案三

优点：电路结构简单，将我们所学到的电压比较器、反相积分器和有源二阶压控型低通滤波器结合到一起，原理易懂，很容易控制产生的信号，而且产生的方波、三角波、正弦波的频率和幅度都是很容易的调节，通过更换不同的元件，通过理论值的计算，输出波形的频率都能达到设计的要求，并且波形的失真也较小。

综合以上对各个方案优劣势的分析，最终选择了方案三做为本次模拟电子技术课程设计的总设计方案。

3.正负可调电源的设计

可调电源的组成

变压电路 整流电路 滤波电路 稳压电路

交流输入

直流输出

图4 电源组成框图

电源原理图

图5 正负可调电源原理图

电源说明：变压电路采用的是输出电压为15V，电流为，功率为30W的变压

器；整流电路采用的是IN4007整流二极管，Um>=50V，I=1A；滤波电容采用的是1000Uf，50V的电解电容；稳压电路分别采用的是LM317和LM337，其特性参数Uo=—37V，Im=，最大、最小输入输出电压各位3V和40V。防止高频信号干扰和自己振荡的电容采用的是和的瓷片电容。

4.函数发生器的具体设计

原理框图

电压比较器反相积分器有源二阶低通滤波器

图6 函数信号发生器组成框图

方波——三角波产生电路

图7 方波—三角波产生电路

原理分析：以上电路是由一个迟滞电压比较器和一个反相积分器构成，其中迟滞比较器电路是用来产生方波，而反相积分器是为了将产生的方波转换成三角波。迟滞电压比较器是在单门限电压比较器的基础上加上正反馈构成的，由于正反馈的加入，它加速了输出电压的翻转过程，同时它为电压比较器提供了双极性参考电平，方波的幅值由电源大小决定，当输入为正时，输出为正，当输入为负时，输出负电压。Rp3用于调节方波输出U1的幅值大小。方波通过反相积分电路可以转换成三角波，比较器的同相端和积分器的输出端相连，形成闭环电路，使得能够同时自动产生方波和三角波。

方波和三角波的频率为fo=R3/(4R4*Rp1*C1)，R1、R5为平衡电阻，调节Rp1可以改变方波和三角波的频率，调节Rp3和PRp4可以分别改变方波和三角波的振幅，此种设计可以满足输出波形频率和幅值连续可调的要求。如果要想输出频率范围较宽的波形，可以通过改变电容C1的大小来实现，理论上，C1越小，输出的波形频率越大。

三角波—正弦波产生电路

图8 三角波—正弦波产生电路

原理分析：以上电路为一个有源二阶压控型低通滤波器，三角波通过有源二阶低通滤波器后，可以得到正弦波。同相放大电路的电压增益就是低通滤波的通带电压增益，即Ao=1+R7/R6=2. 电容C2与运放的输出端相连接，形成了运算放大器的正反馈，对于这个反馈，电容C2使得相位超前，而电容C3使得相位滞后，可以使得整个电路在带有正反馈的同时，又避免了有源滤波器产生自己振荡。

有源二阶压控型低通滤波器的优点是可以使输出电压在高频段以更快的速率下降，同时它的滤波效果比一阶低通滤波器的效果更好。输出正弦波的幅值大小可以通过可调电阻Rp5来调节，正弦波的频率可以通过可调电阻Rp6和Rp7来调节。

方波—三角波—正弦波电路

:

图9 整体电路图

电路共分为三级，由运算放大器构成的电压比较器，反相积分器和有源二阶压控型低通滤波器，运算放大器的工作电压是+12V和-12V。在图中有三个输出端，其分别可输出方波，三角波和正弦波。

元件参数计算

比较器和积分器的元件参数如下：

由理论分析知道电压比较器的输出电压即约等于电源电压,为了输出峰峰值为

14v的方波电压,因此选择电源电压应大于或等于7v和-7v,我们选择的工作电压为正负12V直流电源，具体方波的输出电压U=Rp3/(Rp3+R3)*Ui,Rp3取10K电位器，用来调节输出方波的电压；Rp1和Rp2分别取20K和10K,用来调节方波和三角波的输出频率；要求输出的三角波峰峰值为4v,则可以取R2=20K,R4=10K,平衡电阻

R1=R4路仿真

仿真软件的介绍

NI Multisim软件是一个专门用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。作为Windows 下运行的个人桌面电子设计工具，NI Multisim 是一个完整的集成化设计环境。NI Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一问题。学员可以很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来，并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。NI Multisim软件绝对是电子学教学的首选软件工具。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

方波—三角波电路仿真

调节可调电阻Rp3，方波的频率大约为30Hz，峰峰值为14V左右，波形如图10：

图11 方波

三角波的频率30Hz左右，峰峰值大约为7V，波形如下：

图12 三角波

用示波器进行双踪观察，方波和三角波的波形如图12：

图13 方波—三角波

三角波—正弦波电路仿真

用示波器观察正弦波的波形，频率大约30Hz，峰峰值约为4V，波形如图13：

图14 正弦波

用示波器进行双踪观察，三角波和方波的波形如图14：

图15 三角波—正弦波

仿真波形分析

在10Hz到5KHz频率范围内，方波、三角波的输出波形很好、很稳定，幅值都可以实现连续可调，而且输出波形的频率甚至可以达到10Hz以下，当波形高于5KHz以上时，方波的波形出现了较大的失真，调节变阻器，输出的波形也得不到根本的改善。

在10Hz到2000Hz频率范围内，正弦波的波形也很稳定，幅值可以连续变化，而且输出的波形失真不大，当频率高于2000Hz以上时，正弦波的波形就发生了很大的失真，而且正弦波的频率达不到10KHz。

通过分析，电压比较器产生的方波的频率可以达到10KHz，但当频率接近10KHz 时，输出的方波就受到其他频率信号的干扰，所以无法输出稳定的、不失真的波形，三角波的输出频率受到方波的影响；由有源二阶压控型低通滤波器产生的正弦波，它的输出频率受到滤波器通带截止频率fo的限制，只有低于截止频率的输入三角波形才可以通过滤波器，并进行放大，当频率高于fo时，三角波信号就会被衰减，所以根本产生不了高于滤波器截止频率的正弦波。

6.电路的安装、调试与分析

调试过程与调试结果

1 安装方波——三角波产生电路：把两块LM324集成块插入面包板，合理布局，正确接线，注意直流源的正负及接地端。

2 调试方波——三角波产生电路：接入电源后，用示波器进行双踪观察；调节Rp3、Rp4，方波和三角波的幅值能够连续可调，均能满足指标要求；调节Rp1

和Rp2，方波和三角波的频率可以实现连续变化；观察示波器，各指标基本能够达到设计要求，然后进行下一部按装。

3 安装三角波——正弦波变换电路：在面包板上接入有源二阶压控型低通滤波电路；接入各电容、电阻及电位器；按图接线，注意直流源的正负及接地端。

4 调试三角波——正弦波变换电路：接入直流源后，利用示波器进行双踪观察，调节Rp6和Rp7，正弦波的频率可以实现连续可调，但是达不到10KHz,当频率达到10K左右时，波形出现了较大的失真；调节Rp5，正弦波的幅值能够实现连续可调。调试结果表明，各项指标基本达到最初设计的目标。

调试结果分析及结论

1方波、三角波和正弦波的输出电压都可以实现连续可调，幅值的大小也能够满足设计的要求；通过调试，方波、三角波的频率能够达到10KHz左右，但是输出波形发生了较大的失真，正弦波的频率达不到10KHz.

2通过理论计算，改变电容C1的大小，可以提高输出波形的频率，并且频率可以达到10K.当我们将1uF的电容更换成时，实物调节的结果并不能达到10K,当频率达到4000、5000Hz时，方波和三角波的波形出现了较大的失真，可能受到LM324的影响，导致频率根本上不去。

3 仿真的结果比较理想，但是实际上，波形并不理想，由于使用的元件不是理想元件，都存在较大的误差，所以结果没有仿真的理想，但是基本能够满足课设的要求。

7.实物焊接

（1）根据电路图，先将元件插入到焊接板上，调整好各元件的位置，对线路进行优化整理，尽量做到精简排线，让线与线之间的距离尽可能的小，并且尽量做到线与线间没有交叉。

（2）元件摆放完后，对整体电路进行一次检查，确认无误后在进行焊接，焊接过程中注意电烙铁，小心被烫伤。

函数发生器所用元器件如下表1所示：

表1 元器件列表

Rp1、Rp2、Rp3滑动电位器

20k、10k、100k

Rp4、Rp5、Rp6、Rp7滑动变阻器

50k、50k、10 k、100 k

R1电阻

10k

R3电阻

20

R4电阻

10k

R5电阻

10k

R6电阻

10k

R7电阻

10k

C1电容1uF

C2电容1uF

C3电容1uF

1A集成运算放大器LM324M

2A集成运算放大器LM324M

3A集成运算放大器LM324M

（3）焊接完的实物成品如下：

图16 正负可调电源与函数发生器实物正面图

8.实物测试结果

实物测试波形

(1)调节变阻器Rp1和Rp2，使得方波的频率达到10Hz左右，方波的峰峰值大概12V左右，输出波形如下：

图17 10Hz、12V方波

（2）继续调节Rp1和Rp2,使三角波的频率达到100Hz，峰峰值10V左右，波形如下：

图18 100Hz、10V三角波

（3）同时调节Rp5、Rp6、Rp7，使得正弦波的频率达到1000Hz左右，峰峰值大概9V，波形如下：

图19 1000Hz、9V正弦波

函数信号发生器电路的实验结果如下表2

表2 电路实验结果

类别输出电压输出频率

设计值实际值设计值实际值

方波

014V021V10Hz10kHz

三角波

05V016V10Hz10kHz

正弦波

03V012V10Hz10kHz

波形不失真的情况下，方波、三角波和正弦波的最大频率都小于10KHz,其中正弦波实际值与设计值偏离较大，可能是由于二阶低通滤波器通带截止频率的限制，根本无法输出较高频率的正弦波。实际输出频率与设计值在高频区偏差较大，，可能的原因是由于电位器实际操作时无法精确操作，在频率大于2kHz（即Rp7阻值小于）时比较容易失真。

9.总结与心得

函数信号发生器主要由三部分组成，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同相积分器来完成。在仿真的过程中，通过更换电容，所有波形的频率和振幅都能够满足课设的全部要求，波形失真也较小；但在实物调试的过程中，波形的频

率不能完全的满足要求，当频率达到4000Hz以上时，波形就出现了失真，振幅完全可以满足要求。整体电路的设计还存在一些不足之处，需要进一步改进才能完全满足课设要求。

为期一个星期的课程设计已经结束，从方案的选择到原理图的设计，再到仿真以及实物焊接，整个过程已基本完成。在这一个星期中，刚开始就是通过网络和图书馆查阅相关的资料，将搜集到的资料做一个整体分析和对比，然后设计出一个好的方案。紧接着就是元件参数的选择和仿真，在选择元件参数的过程中，的确花费了不少时间，先通过理论计算出参数值，然后再通过仿真软件进行检测，找出不足之处，并重新选择参数。仿真结果出来后，就是进行实物调试，我们先是在面包板上调试，用示波器观察波形，在调试的过程中，发现实物和仿真还是存在一定的差距，继续改正一些参数后，发现结果还比较满意，最后就进行实物焊接，以前自己焊接过很多的东西，所以焊接实物很顺利，焊完后，通过调试，波形基本还算满意。

通过这一个星期的学习，我感觉到自己掌握的知识还是很少，学到的很多理论知识还不能灵活的运用，我觉得理论知识和实践能力同样重要，只有通过实践才能检查我们学到的理论知识是否真正被掌握。此次的课程设计，虽然花费了较多的时间，但是我也有很大的收获，我从中也学到了很多的知识，提高了我的设计思维能力和分析问题的能力，同时还增强了我的动手能力。

10.参考文献

[1]吴友宇主编. 《模拟电子技术基础》. 北京：清华大学出版社，2009.

[2]康华光主编.《模拟电子技术》.北京：高等教育出版社，2005.

[3]韩国栋，赵月飞，娄建安编. 《电路设计入门与提高》. 北京：化学工业出版社，2010.

[4] 谢自美主编.《电子线路设计、设计、测试》. 武汉：华中科技大学出版社2001

[5]李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2001.