信号发生器设计（附仿真） - 图文

南昌大学实验报告

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实验类型：□验证□综合□设计□创新 实验日期： 实验成绩：

信号发生器设计

一、设计任务

设计一信号发生器，能产生方波、三角波和正弦波并进行仿真。

二、设计要求

基本性能指标：(1)频率范围100Hz~1kHz；(2)输出电压：方波Up-p≤24V，三角波

Up-p=6V，正弦波Up-p>1V。

扩展性能指标：频率范围分段设置10Hz~100Hz, 100Hz~1kHz，1kHz~10kHz；波形特性 方波tr<30us（1kHz，最大输出时），三角波r△<2%，正弦波r～<5%。

三、设计方案

信号发生器设计方案有多种，图1是先产生方波、三角波，再将三角波转换为正弦波的组成框图。

图1 信号发生器组成框图

主要原理是：由迟滞比较器和积分器构成方波——三角波产生电路，三角波在经过差分放大器变换为正弦波。方波——三角波产生基本电路和差分放大器电路分别如图2和图4所示。

图2所示，是由滞回比较器和积分器首尾相接形成的正反馈闭环系统，则比较器A1

输出的方波经积分器A2积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。其工作原理如图3所示。

图2 方波和三角波产生电路

图3 比较器传输特性和波形

利用差分放大器的特点和传输特性，可以将频率较低的三角波变换为正弦波。其基本工作原理如图5所示。为了使输出波形更接近正弦波，设计时需注意：差分放大器的传输特性曲线越对称、线性区越窄越好；三角波的幅值Vm应接近晶体管的截止电压值。

图4 三角波→正弦波变换电路

图5 三角波→正弦波变换关系

在图4中，RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。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。

波形发生器的性能指标：

①输出波形种类：基本波形为正弦波、方波和三角波。

②频率范围：输出信号的频率范围一般分为若干波段，根据需要，可设置n个波段范围。

③输出电压：一般指输出波形的峰-峰值Up-p。

④波形特性：表征正弦波和三角波特性的参数是非线性失真系数r～和r△；表征方波特性的参数是上升时间tr。

四、电路仿真与分析

五、调试

一、方波和三角波产生电路：

三角波的幅度与R2与（R3+RP1)的比值有关。频率取决于R2与（R3+RP1)的比值和积分电路时间常数（R4+RP2)C2。

频率为100-1k时，方波Vpp=22.4V<24V；三角波Vpp=6.02V； 输出三角波的P-P就是比较器的门限宽度：

R3?Vt?Vt??Vt??2*Vcc，其中三角波p-p＝6V；平衡电阻

R4?R6R1=R3//(R4+R6); 通过R2进行频率调节。

S1接通时频率为1k-10k

方波发生了部分失真 S3接通时频率为10-100

方波上升时间=77us>30us；

二、三角波-正弦波变换电路

ic??ie??I1?e-v/Vt，α约等于1；Vt=26mV；

差分放大器的传输特性曲线

?Io??，0?t?T/2?4Vm?-4Vm??（t?T/4）?（t-T/4）?VtT?1?e??T?如果vid为三角波，设vid?，则ic1????

-4Vm?Io????（t-3T/4），T/2?t?T4Vm??（t-T/4）???T??1?eVtT?

Rp1调节三角波幅度，Rp2调整电路的对称性，并联电阻Re2用来较小差分放大器的线性区。C1C2C3为隔直电容，作为耦合电容要取的较大，取470uF。C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善波形。C5、C6、C8C7一般为几十皮法至0.1uF,以滤除输出信号的高次谐波分量。 R13的调整将影响差分放大器的静态工作点电流IO，取大小为mA，则输出电流IoPP≈IO/2，大小也为mA，输出电压VoPP=IoPP×R'L大小可达到为V，则正弦波Up-p>1V。

六、误差分析

1、方波输出电压Vpp≤2Vcc，由于运放的输出存在饱和压降，使方波输出幅度小于电源电压；

2、方波的上升时间Tr，主要受运放转换速率的限制。如果输出频率较高，则可接入加速电容，一般为几十皮法。 3、产生失真原因及措施：

A.钟形失真。传输特性曲线的线性区太宽，应减小R11； B.半波圆顶或平顶失真。传输特性曲线对称性差，应调整R13；

C.非线性失真。由三角波的线性度较差引起，可在输出端加滤波网络改善波形。

七、实验总结

参考书上内容，分模块进行设计调试，再将各模块搭建起来。虽然书上有公式，但实际设计起来并不是十分顺利，而且理论计算与实际仿真也有差异。典型的就是频率那里，无法拉到10kHz，当频率越高，失真线性越严重。通过本次实验，在加深各元件使用技能外，也理解了理论的不一定都是正确的，还需要实践来验证。

八、仿真原件

信号发生器（完成图）.ms14方波和三角波产生三角波、正弦波变电路.ms14换电路.ms14

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/284f.html