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函数信号发生器的设计与制作 张佳勇 欧美学院 机电科学与工程系电气工程及其自动化1001 摘要： 模拟电子电路中，常常需要何种波形信号，如正弦波、矩形波、三角波等，作为测试信号或控制信号等。为了采集的信号能够用于测量、控制、驱动负载或送入计算机，常常需要将信号进行变换，如将电压变换成电流、将电流变换成电压、将电压变换成频率与之成正比的脉冲。而我要做的就是设计一个能够同时产生正弦波、矩形波、三角波的这样一个电路。 矩形波电压只有两种状态，不是高电平就是低电平，所以电压比较器是他的重要组成部分，因为产生震荡，就是要求输出状态应该按一定的时间间隔交替变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。我选用LM358这样一种比较器。 在产生矩形波的电路后面接一个三角波发生器，矩形波输入的前提条件下经过积分获得三角波。 在三角波为固定频率过频率变化很小的情况下，采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。 关键词： 矩形波 三角波 正弦波 比较器 积分放大电路 低通滤波器 差分放大器 设计任务及要求 任务设计一台函数信号发生器，能够发出方波信号、三角波信号和正弦波信号； 要求输出波形的频率范围是10HZ~100HZ 100HZ~1KHZ 1KHZ~10KHZ，且连续可调；方波幅值是10V，失真较小；三角波峰值30V；正弦波幅值为10V；各种波形幅值均连续可调； 方案设计与论证 方案一应用运算放大器做出的比较器电路产生方波，方波通过积分电路产生三角波，再由三角波通过低通滤波电路产生正弦波。 方案二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（三角波的频率可通过电容的大小进行更改），三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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。 单元电路设计与参数计算 方案一没有接通时，=0V，滞回比较器=+，则集成运放同相输入端=·，同时=+给C冲电，使由0上升，在﹥之前，=+不变；当﹥时，跳变到-。 当=-时，=·（-），同时C使降低，在在﹥之前=-不变，当时，跳变到+。 方波部分 方波的波幅由稳压二极管的参数决定，方波的周期取决于充放电回路RC的数值。若R或C其中一个增大，周期T也会增大。≈C≈C T=≈() T=()C 三角波部分 在方波发生电路中，当阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成是近似三角波。所以只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。当方波发生电路的输出电压=-时，积分运算电路的输出电压将线性下降：而当=+时，将线性上升。 积分电路的输入电压不是+就是-，所以输出电压的表达式为 式中()为初态时正好从-跃变为+，则式子变为 积分电路反响积分，随时间的增长线性下降，一旦=，再稍减小，将从+跃变为-，式子变为 ()为产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，随时间的增长线性增大，一旦，再稍加增大，将从-跃变为+，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程。因此产生震荡。 由以上分析可知，是三角波，幅值为±；是方波，幅值为±，由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。 设正向积分起始值为-，中了值为+，积分时间为二分之一周期，则有 震荡频率为f= 调节电路中的，可以改变震荡频率和三角波的幅值。 在三角波电压为固定频率或频变化很小的情况下，可以考虑低通滤波的方法将三角波变换为正弦波，输入电压的频率等于输出电压的频率。 将三角波按傅里叶级数展开 其中是三角波的幅值 方案二 方波电路的工作原理 从一般原理来分析，可以在滞回比较器电路的基础上，靠正反馈和RC充放电回路组成矩形波发生电路。由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。两种不同的输出电平使RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压升高或降低，而电容的电压有作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路有充电过程变成放电过程或相反。如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平变化周期性交替的方波信号。 设Uo1=+Uz,则 U+ = R2（+Uz）/（R2+R3+Rp1） + （R3+Rw1）Uia/（R2+R3+ Rp1）=0 (1) 将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia＿为 Uia＿ = - R2（+Uz）/（R3+ Rp1）= - R2*Uz/（R3+ Rp1） (2)