信号发生器设计[1].doc

一、课题名称
信号发生器设计(B)

二、设计内容及要求
设计一个能够输出正弦波、三角波和矩形波的信号源电路，电路形式自行选择。输出信号的频率可通过开关进行设定，具体要求如下：
1、输出信号的频率范围为100--1000Hz，步进为100Hz。（60分）
2、要求输出信号无明显失真，特别是正弦波信号。（30分）
范围满足设计要求得满分，否则酌情扣分。
输出信号无明显失真可满分，有明显失真酌情扣分。
发挥部分（附加１０分）：
进一步扩大输出信号范围和减小步进频率。

三、比较和选定设计的系统方案，画出系统框图
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。本课题采用先产生正弦波—方波波，再将方波变换成三角波的电路设计方法，
本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：
正弦波矩形波三角波
RC桥式正弦波振荡电路
矩形波产生电路
三角波产生电路

四、单元电路的设计、参数的计算和器件的选择

正弦波产生电路

正弦波的产生采用了RC桥式振荡电路
(a).RC串并联网络的频率特性
RC串并联电路如图（a）所示，在信号频率很低时，可等效成图（b）电路。在低频等效电路中，Z1=-jXc1，Z2=R2。低频时，由于Xc1>>R2，所以在信号频率很高时，其等效电路如图6.4（c）所示。在高频等效电路中，Z1=R1，Z2=-jXc2。高频时，由于R1>>Xc2，所以

(b).RC桥式振荡电路分析
RC桥式振荡电路如下所示。根据自激振荡的条件，φ=φa+Φf=2πn，其中RC串并联网络作为反馈电路，当f=fo时，φf=0°，所以放大器的相移应为φa=0°，即可用一个同相输入的运算放大器组成。又因为当f=fo时，F=1/3，所以放大电路的放大倍数A≥3。起振时A>3，起振后若只依靠晶体管的非线性来稳幅，波形顶部容易失真。为了改善输出波形，通常引入负反馈电路。其振荡频率由RC串并联网络决定，fo=1/(2πRC)。图（b）为RC桥式振荡电路的桥式画法。RC串并联网络及负反馈电路中的Rf、R′1正好构成电桥四臂。

(c).参数的计算：根据fo=1/(2πRC)，fo=100~1000Hz,C=10Nf,R=1/2πCfo
经计算，f=100Hz,R=15.9kΩf=600Hz,R=2.65kΩ
f=200Hz,R=7.95kΩf=700Hz,R=2.27kΩ
f=300Hz,R=5.3kΩf=800Hz,R=1.98kΩ
f=400Hz,R=3.975kΩf=900Hz,R=1.77kΩ
f=500Hz,R=3.18kΩf=1000Hz,R=1.59kΩ
(d).器件的选择：运放采用的是LM741

矩形波产生电路

电路原理为电压滞回比较，如图
电路有两个阀值电压，输人电压U1，从小变大过程中使输出电压UO产生跃变的阀值电压UTI，不等于uI从大变小过程中使输出电压UO产生跃变的阀值电压UT2电路具有滞回特性。它与单限比较器的相同之处在于：单输人电压向单一方向变化时，输出电压只跃变一次。
滞回比较器及其电压传输特性
从集成运放输出端的限幅电路可以看出，UO＝±UZ。集成运放反相输人端电位UP＝UI同相输入端电位

令UN=UP求出的uI就是阀值电压，因此得出

输出电压在输人电压u等于阀值电压时的变化：假设uI<-UT，那么Un一定小于Up，因而UO＝+UZ，所以uP=+UYO。只有当输人电压uI增大到+UT，再增大一个无穷小量时，输出电压UO才会从+UT跃变为-UT。同理，假设UI>+UT，那么UN一定大于uP，因而UO＝-UZ，所以uP＝-UT。只有当输人电压UI减小到-UT，再减小一个无穷小量时，输出电压UO才会从-UT跃变为+UT。可见，UO从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的，电压传输特性如图。
从电压传输特性上可以看出，当-UT＜uI＜+UT时，UO可能是-UT，也可能是+UT。如果uI是从小于-UT，的值逐渐增大到-UT<uI<+UT，那么UO应为+UT；如果uI从大于+UT的值逐渐减小到-UT<uI<+UT，那么应为-UT。曲线具有方向性，如图中所示。
实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输人电压足够大时，输出电压UO才为±UZ。UO在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中，随着uI的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引人了正反馈，加快了UO的转换速度。例如，当UO＝+UZ、uP=+UT时，只要uI略大于+UT足以引起UO的下降，即会产生如下的正反馈过程：UO的下降导