模拟电路课程设计-函数信号发生器

模拟电路课程设计——函数信号发生器

一、设计任务和要求

1 在给定的±12V直流电源电压条件下，使用运算放大器设计并制作一个函

数信号发生器。

2 信号频率：1kHz～10kHz

3 输出电压：方波：Vp-p≤24V

三角波：Vp-p≤6V

正弦波： Vp-p>1V

4 方波：上升和下降时间：≤10ms

5 三角波失真度：≤2%

6 正弦波失真度：≤5%

二、设计方案论证

1．信号产生电路

〖方案一〗

由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。三角波

这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有10倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：

显然对于10倍的频率变化会有积分时间dt的10倍变化从而导致输出电压振幅的10倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。

〖方案二〗

由积分器和比较器同时产生三角波和方波。其中比较器起电子开关的作用，将恒定的正、负极性的

方波

三角波

电位交替地反馈积分器去积分而得到三角波。该电路的优点是十分明显的：

1 线性良好、稳定性好；

2 频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，

而且频率改变时，幅度恒定不变；

3 不存在如文氏电桥那样的过渡过程，接通电源后会立即产生稳定的波

形；

4 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。

综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。

2．信号变换电路

三角波变为正弦波的方法有多种，但总的看来可以分为两类：一种是通过滤波器进行“频域”处理，另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。具体有以下几种方案：

〖方案一〗

采用米勒积分法。设三角波的峰值为，三角波的傅立叶级数展开：

通过线性积分后：

显见滤波式的优点是不太受输入三角波电平变动的影响，其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化（随频率的升高而衰减），这对于我们要求的10倍的频率覆盖系数是不合适的。另外我们在仿真时还发现，这种积分滤波电路存在这较明显的失调，这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。

积分滤波法的失调图（Protel 99 SE SIM99仿真）

而且输出存在直流分量。

〖方案二〗

才用二极管－电阻转换网络折线逼近法。十分明显，用折线逼近正弦波时，如果增多折线的段数，则逼近的精度会增高，但是实际的二极管不是理想开关，存在导通阈值问题，故不可盲目的增加分段数；在所选的折线段数一定的情况下，转折电的位置的选择也影响逼近的精度。凭直观可以判知，在正弦波变化较快的区段，转折点应选择的密一些；而变化缓慢的区段应选的稀疏一些。

二极管－电阻网络折线逼近电路对于集成化来说是比较简单，但要采用分立元件打接则会用到数十个器件，而且为了达到较高的精度所有处于对称位置的电阻和

二极管的正向导通电阻都应匹配。实现起来不是很方便的。另外折线逼近电路的原理是应用电路传输的非线性，故作用于变换电路的输入信号的幅度必须是固定的。而且这个转换网络还有输出阻抗高的缺点。

二极管－电阻转换网络图

〖方案三〗

利用差分放大器的差模传输特性。设差放的集电极电流分别为和，输入差模电压为 ,发射极电流为,则晶体三极管工作在放大区时有：

由下图的传输特性曲线我们可以想象当输入为三角波时输出会得到近似的正弦波。

差放差模传输特性曲线图（Protel 99 SE SIM99仿真）

这种转换方式比较简单，而且频带很宽。

三、整体电路设计和分析计算

1．三角波方波产生电路

电路图如图所示，由三个运算放大器组成。其中实现密勒积分，实现比较、限幅、反相三种功能运算，为限幅反向器。,是正反馈电路，用作反馈通路。假设在时输出为正电平。其中一部分信号反馈到的反相输入端。另一部分通过反馈到的反相输入端，其

三角波－方波产生电路图

值的大小由与的分压比决定。该信号电压被积分器反相积分，使的输出电压以时间常数下降，并通过加在的反相输入端，流过的反馈电流

(即),流过电阻的电流为 (即)，当正反馈电流与电流相等时，反相输入端的电压为零。开始从-0.65V跳变到+0.65V，从而迫使的输出随之翻转，使从跳变到，与此同时，反相输入端的电压也随之翻转跳变到负值，对电压进行反向积分，使得按着同样的时间常数上升。电

流与反向。逐渐增加，当正反馈电流与相等时，再次跳变，从+0.65V跳变到-0.65V，迫使再次翻转，从跳变到，这就完成了一个振荡周期。如此周而复始的循环。在地输出端产生三角波，在的输出端产生方波。假设的正负限幅值不相等，用表示正限幅电平，用表示负限幅电平。假定当t＝0时，从跳变到，此时有：

当t＝时，比较器跳变，此时：

显然，，此时可以得到前半周期：

根据分析知道，当t＝时，积分器的输出电压为三角波的下降边。同理，下一

次跳变时，应出现在。实际上，积分器的输出电压的跳变时间应为。因此

可以得到后半个周期。

如果选择电阻与相等，且正向限幅与负向限幅相等，即与相等，则方程可简化为：

,

由上式可看出，周期或频率仅由分压比系数和积分常数决定。调节分压比可连续改变频率。

2．三角波—正弦波变换电路

电路如图。如前所述，电路利用了差放的转移特性，将三角波近似逼近为正弦波。

三角波－正弦波转换电路图

3．接口电路

通过上述电路的分析和设计，我们已经产生出三种规定的函数波形，但为了满足应用上的要求，还需输入电压可调，并具备一定的驱动能力。这些要有一个接口电路来实现和完成。

接口电路图

考虑到音频信号的输出阻抗常用600?，带有反馈的运算放大器的输出阻抗几乎为零，在输出处加一600?的电阻就可使输出阻抗变为600?，而且即使发生误操作使输出短路，该电阻也能起到过流保护的作用。

在对输出进行幅值调节时，输出电压变小，运放的偏移电压的影响会很大。为了使信号有很大衰减，我们又设计了-20dB和-30dB的衰减器，可以把输出电压衰减0.1、0.01倍。在信号衰减的同时偏移电压也同样被衰减，这样就防止了偏移影响的作用。

四、电路的EDA实现及仿真分析

1．输出瞬态分析

通过在 4.7K～47K的范围内对电位器的调节，我们可以得到频率覆盖1K～10KHz的各输出波形。两个边界频率的瞬态分析结果见以下诸图：

10KHz三角波0dB –20dB –30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）

10KHz方波0dB –20dB –30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）

10KHz正弦波0dB –20dB –30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）

1KHz三角波0dB –20dB –30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）

1KHz方波0dB –20dB –30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）

1KHz正弦波0dB –20dB –30dB输出图（Protel 99 SE SIM99仿真）

2．波形参数的测量

注：以下各参数的测量均在Protel 99SE SIM99的仿真支持下，由Casor测量光标辅助完成的，其中失真度的测量是通过引入同频率等幅的标准信号源的方法测出的。由于这几个参数的测量都要将信号高倍放大，需占用较大的幅面，因此不再抓图印证。

1 输出幅值的测量：

测量条件：f=5KHz RL=600Ω

输出端口幅值范围

OUT1( 0dB) 6V—28mV

OUT2(-20dB) 0.6V—2.8mV

OUT3(-30dB) 60mV—0.28mV

2 方波上升时间的测量：

测量条件：Uo=4V RL=600Ω

频率f=1KHz f=10KHz

上升时间655.74ns 555.70ns

3 正弦波失真度的测量：

测量条件：Uo=3V RL=600Ω

频率f=1KHz f=10KHz

失真度 2.35% 3.10%

鉴于所采用正弦波的失真系数的测量方法有较大误差。为此，特在Uo=7V的测试条件下在0dB端口对f=1KHz的正弦波进行了Fourier分析，如下图：

1KHz正弦波0dB输出时的Fourier分析图（Protel 99 SE SIM99仿真）

由图可见：电路高频谐波分量是比较少的。

总结：

以上测试数据证明，该电路已远远超过了课程设计题目所要求的各项性能指标，而且其三角波、方波的表现又颇为突出，通过改变三角波积分电容的方法，还可以将频率覆盖扩展至10Hz～100KHz。

3．温度扫描分析

以下三图是在f=5.831KHz RL=600Ω 0dB输出-10℃～50℃步长为20℃的温度扫描图：

5.831KHz三角波-10℃～+50℃温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）

5.831KHz正弦波-10℃～+50℃温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）

5.831KHz方波-10℃～+50℃温度扫描图（Protel 99 SE SIM99仿真）

由图可见，波形除了时间上存在延迟外并无畸变。电路在该温度范围内是正常工作的。

4．器件选择

该电路主要由LM301集成运算放大器构成，这款运放具有较高的速度，虽然价格比LM324略高，但是性能是LM324所无法比拟的。其中两个调节电位器采用多圈线绕电位器，可以达到令人满意的调节效果。

元器件清单

名称标号规格

5、心得体会

在这次设计、焊接过程中我对抽象的理论有了进一步的认识。通过这次课程设计，我了解了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。虽然这次实验使得我纠结了近一天，但收获的确很多。在这次实验中，总结了很多感触体会，我们不能盲目的图快，一定要在心底有个具体的谱然后下手去焊接，这样能让我们少走弯路，更加节省时间。在实验过程中，我也遇到了不少的问题，如波形失真，电路板测试时甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，自己的总结思索下，把问题一一解决。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，这次实验让我对过去未理解的很多知识有了明了的认识。这次课程设计让我体会到了在接好电路后测试出波形的喜悦与如重释负的轻松。

此课程的设计，真的让我认识到了实践能力的的重要性与真实性。这能让我们很好的加深对不知道的理论知识的理解，同时也巩固了以前知道的知识。明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。这次课程设计让我意识到运用所学的知识去解决实际的问题的重要性，我们学理工科的同学应更多的锻炼提高我们的动手能力

5、心得体会

在这次设计、焊接过程中我对抽象的理论有了进一步的认识。通过这次课程设计，我了解了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。虽然这次实验使得我纠结了近一天，但收获的确很多。在这次实验中，总结了很多感触体会，我们不能盲目的图快，一定

要在心底有个具体的谱然后下手去焊接，这样能让我们少走弯路，更加节省时间。在实验过程中，我也遇到了不少的问题，如波形失真，电路板测试时甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，自己的总结思索下，把问题一一解决。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，这次实验让我对过去未理解的很多知识有了明了的认识。这次课程设计让我体会到了在接好电路后测试出波形的喜悦与如重释负的轻松。

此课程的设计，真的让我认识到了实践能力的的重要性与真实性。这能让我们很好的加深对不知道的理论知识的理解，同时也巩固了以前知道的知识。明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。这次课程设计让我意识到运用所学的知识去解决实际的问题的重要性，我们学理工科的同学应更多的锻炼提高我们的动手能力