北京邮电大学电路实验信号发生器_北邮电路综合实验

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北京邮电大学

电子电路实验报告

实验一：函数信号发生器的设计

院 系：

班 级： 姓 名： 班内序号： 学 号：

2013年4月8日星期一

课题名称：

函数信号发生器的设计

摘要：

本实验由两个电路组成，方波—三角波发生电路和三角波—正弦波变换电路。方波—三角波发生电路采用运放组成，由自激的单线比较器产生方波，通过积分电路产生三角波，在经过差分电路可实现三角波—正弦波变换。该电路振荡频率和幅度用电位器调节，输出方波幅度的大小有稳压管的稳压值决定；而正弦波幅度和电路的对称性也分别由两个电位器调节，以实现良好的正弦波输出图形。

关键词：

方波、三角波、正弦波、频率调节、占空比调节

设计任务要求：

基本要求：

a）设计一个设计制作一个可输出方波、三角波、正弦波信号的函数信号发生器。

1，输出频率能在1—10KHz范围内连续可调，无明显失真；

2，方波输出电压Uopp = 12V,上升、下降沿小于10us,占空比可调范围30%—70%；

3，三角波Uopp = 8V； 4，正弦波Uopp≥1V。

b）用PROTEL软件绘制完整的电路原理图（SCH）设计思路：

1，原理框图：

2，系统的组成框图：

分块电路和总体电路的设计：

函数发生器是指能自动产生方波、三角波和正弦波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题采用由集成运算放大器与晶体差分管放大器共同组成的方波—三角波、三角波—正弦波函数发生器的方法。

本课题中函数信号发生器电路组成如下：

第一个电路是由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路。单限比较器输出的方波经积分器得到三角波；第二个电路是由差分放大器组成的三角波—正弦波变换电路。

差分放大器的特点: 工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等。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的传输特性曲线的非线性。传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。1.方波——三角波电路设计

方波输出幅度由稳压管的稳压值决定，及限制在±（UZ+UD）之

间。基本要求中方波的峰峰值为 12V，故选用稳压值为 6V 的稳压管。方波经积分得到三角波，幅度为 Uo2m=±R1/Rf（UZ+UD），由 R1 和 Rf 的比值及稳压管的稳压值决定，基本要求中三角波的峰峰值为 8V，这 R1 与 Rf 的比值为 2：3。我选用的 R1 为 20k,Rf 为 33k。R3 为平 衡电阻，根据计算应选择 12K 的电阻。方波和三角波的振荡频率相同，为f=1/T=āRf/4R1R2C,式中α为电位器，Rw的滑动比（即滑动头对地电阻与电位器总电阻之比）。即调节Rw可改变振荡频率。根据所需振荡频率的高低和对方波前后陡度得要求，选择电压转换速率SR合适的运放。在产生方波的时候选用转换速率较快的运放LM318，产生三角波的时候选用运放LM741。根据计算可设定R2=5K，C=0.01uF。R4为直流平衡电阻，其作用是减小或消除静态时可能在运放输出端产生的附加差模输入电压，应与R2的阻值一样，为5K。根据所需要输出方波的幅度选择合适的稳压管和限流电阻Ro的大小。选择限流电阻Ro为2K。为使α的变化范围较大，信号的频率范围达到要求，1—10K范围可调，电位器Rw选择为10K范围内可调。

2.三角波——正弦波电路设计

图中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，并联电阻RE用来 减小差分放大器传输特性曲线的线性区。电容C1,C2,C3为隔直流电容，用单向的大电容不但很好的滤除直流分量，还能避免双向耦合，使输出地波形清晰稳定。C4为滤波电容，以滤除高频信号干扰，改善输出正弦波的波形，减少不确定的信号干扰。

电解电容C1、C2、C3为隔直流电容，为达到 良好的隔直流、通交流的目的，其容值应该取的相对较大，故取 C1=10uF C2=0.01uF C3=2200pf。Rp1调节三角波的幅度，为满足实验要求，其可调 范围应该比较大，故取Rp1=100kΩ。Rb1与Rb2为平衡电阻，取值为Rb1=7.5KΩ。流进T1，T2集电极电流约为0.5mA，为满足其正弦波的幅 度大于1mA，取Rc1= Rc2=6.2kΩ，使得电流流经Rc2的电压降不至于很大。C4为滤波电容，其值应该满足要求的正弦电压幅度与频率，其值 不能取太大，否则会是幅度太小无法达到要求，故取C4=0.1uF。至此，电路的设计基本完成，需要在实验中进一步调试电路。

差动放大器具有很大的共模抑制比，被广泛应用于集成电路中，常作为输入级或中间级。

差动放大器的设计：

1，确定静态工作点电流Ic1、Ic2、Ic3 静态时，差动放大器不加入输入信号，对于电流镜Re3=Re4=Re Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4= Ic4+2 Ic4/β≈Ic4= Ic3 而 Ir= Ic4= Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/(R+Re4)上式表明恒定电流Ic3主要由电源电压Ucc、Uee和电阻R、Re4决定，与 晶体管的参数无关。由于差动放大器得静态工作点主要由恒流源决 定，故一般先设定Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大 器的输入阻抗越高。因此在实验中，取Ic3为1mA。有Ic1= Ic3=1/2 Ic3=0.5mA。由R+Re=（Ucc+Uee-Ube）/Ir,其中Ucc为12V，Uee也为12v，Ube的典型值为0.7V（在本次取值中可以忽略）Ir为1mA,故取R=18KΩ，Re4=3.3KΩ。由于镜像电流源要求电阻对称，故取Re3=3.3KΩ。2，差模特性

差动放大器的输入和输出各含有单端和双端输入两种方式，因此，差 动放大器的输入输出共有四种不同的连接方式。不同的连接方式，电路的特性不同。Rp 的取值不能太大，否则反馈太强，一般取 100Ω左 右的电位器，用来调整差动放大器的对称性。3，三角波—正弦波变换电路

三角—正弦波变换电路

三角波—正弦波变换电路的种类很多，有二极管桥是电路，二极管可变分压器电路和差分放大器等。利用差分放大器传输特性曲线的非线性，实现三角波—正弦波的变换。

总电路图：

电路的安装与调试：

一，三角波---正弦波转换电路的安装与调试： 安装三角波——正弦波变换电路

1.在面包板上接入差分放大电路，注意三极管的各管脚的接线； 2.搭生成直流源电路；

3.接入各电容及电位器；

4.按图接线，注意直流源的正负及接地端。调试三角波——正弦波变换电路 1.接入直流源后，把 C4 接地，利用万用表测试差分放大电路的静态 工作点； 2.测试 C,D 两端电压，当不相等时调节 RP 使其相等；

3.在 C5 端接入示波器观察，逐渐增大输入电压，当输出波形刚好不失真时记入其最大不失真电压；

二，方波—三角波发生电路的安装与调试：

安装方波—三角波产生电路

1.把 2 块集成运放插入面包板，注意布局；

2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法； 3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。调试方波—三角波产生电路

1.接入电源后，用示波器进行双踪观察； 2.调节 RP，微调波形的频率；

3.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部安装。三，总电路的安装与调试：

1.把两部分的电路接好，即把三角波的输出与差动放大器的输入相连接，进行整体测试、观察

2.针对各阶段出现的问题，逐各排查校验，使其满足实验要求，即 使方波的峰峰值为12伏，三角波为8伏，使正弦波的峰峰值大于 1V。

所实现功能说明

功能实现及必要数据：

通过万用表，毫伏表，以及示波器测量： 如图：

当频率处在10K左右时，输出方波峰峰值为12.1V，三角波峰峰值为8.0V。满足基本要求。

当频率处在1K左右时，方波的峰峰值达到了12.4V，三角波的峰峰值在7.8V左右，存在一定的误差，其主要原因可能与Rf=33K有关（实在找不到30K的电阻，只好拿33K）。

输出的三角波峰峰值为6.4V，满足大于1V的基本要求

在实验中，除了峰峰值有些误差外方波和三角波波形较好，正弦波波形较粗。但总体上还是比较美观的。必要的测试方法：

1，调节Rp调节电路的对称性。

用万用表进行调零监测

2，电路A.B两输入端接地，将万用表直流电压档接在C.D端之间，调 节Rp，是万用表指示为0。注意万用表先用大量程档，逐渐减小量程，直到最小量程档指示为0。3，用示波器进行调零监测

电路A.B两输入端接地，双踪示波器输入耦合方式设为DC，示波器 第一路接电路输出端C端与地之间，第二路接电路另一个输出端D端与 地之间，将第二路反向按钮摁下，再选择ADD档，则可用示波器观察 C.D端之间的电压，调节Rp，使示波器显示的C.D端之间的电压为0。4，通过调节恒流源改变电路的静态工作电流

差动电路的 T1 与 T2 的静态工作电流由恒流源偏置电路决定，可改变恒流源偏置电路中的电阻 R 来改变各个晶体管的静态工作电流。

差动电路的静态调零完成后，可以测各个晶体管的静态工作电流。故障及问题分析

测试前的电路检验：

   电路是否正确，对照实验原理图仔细检查。测量仪器是否有问题，仪器显示是否正确。电源供电（包括极性）、信号源连线是否正确检查直流极性是否正确，信号线是否连接正确。并且用电压表测试保证直流电源输出符合要求。

检查元器件引脚之间有无短路，连接处有无接触不良，二极管、集成电路和电解电容极性等是否连接有误。

测试出现的故障：

     设计出占空比是基本要求。由于调试时候总是出错，最后不得不放弃了占空比的设计，留有遗憾。电路用到的电阻，导线，比较多，连接起来比较复杂，所以每次在测试之前，都要检查好电路的正确性。预防损坏元器件。

由于电阻的接线比较长，完全插入后可能错综在一起，造成短路，此时就应利用万用表，挨个检查，更换面包板，插线时不宜过深。在前期试验中，由于连错了直流电压的输出，导致烧坏了一个UA741的运放。之后及时改正了错误，再也没有出现烧电路的的情况。

在三角波—正弦波转换电路中，即使在调节了电路平衡之后，输出波形也会存在一个偏斜。这时就需要调节RP1使波形变得正常。这个过程就需要调一会才会变化，所以需要有耐心。

在调试过程中，正弦波出现了以下失真，产生失真的原因及采 取的措施如下： 1）钟形失真，传输特性曲线的线性区太宽，应减小 Re。从而减 小了线性区的放大效应。2）非线性失真，三角波传输特性区线性度差引起的失真，主 要是受到运放的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。本次试 验中可以通过增加 C4 的大小来减小波形的非线性失真。3)截止失真或饱和失真。这可是由于电路设计时工作点选的不好。也可能是因为，在实际连电路时选取了与设计时的不同值近似。导致工作点的错误。检查电路修改数据是解决的方法。

布线以及排版问题 对于可以输出稳定波形的电路，需要简化电路，让电路看起来更美观，更简洁，更清楚，这样有利于检查错误和更改。

  实验总结及结论：

又一次走进了熟悉的实验室，上一次走进主楼的实验室，已经是上个学期的事情了。上个学期的模电实验对我来说，是一个全新的体验。而这一次的电路创新性实验更是一个全新的挑战。

与上学期照着课本搭电路不同，这次的试验，全要靠我们自己去设计。虽然书上有一部分的电路图，但是者还不足以帮助我们完成所有的设计要求。尤其是各个元器件的参数，更是让我痛疼不已。刚开始，我们只算出了R1，Rf的取值以及各个电位器的选择。所以在第一次的实验中，我们一无所获，甚至连方波都没有出来。后来我们自己计算，以及上网寻找资料，在第二次的实验中，成功的做出了方波，但是幅度却一直不对。正当我百思不得其解的时候，我选择了询问老师，在老师的帮助下，我才知道原来一直困扰自己的幅度问题是因为稳压二极管的管脚没有选对。之后再搭建三角波的电路的时候，我们就有了一定的经验，很顺利的做出了符合要求的三角波。真正的难题来了，那就是正弦波，我们的正弦波一直出不来，不是有人的正弦波失真，就是我的正弦波只有一半的正弦。开始我以为是过滤电容，没有找到合适的，所以我就在不停地更换电容，但是一直没有成果。在咨询了老师之后，我知道是自己的输入幅度太大，导致了正弦波不完整。很快我就意识到自己该调整100K电位器了，在调整了几次之后，我终于做出了完美的正弦波。

在完成了三个波形的输出之后，我开始了调整细节的工作，调节频率是首当其冲的。频率虽然可以高达20K但是低频却达不到1K，只能停留在2K左右，由于在后期对电路十分的熟悉，所以很快的就解决了这个问题。

一直很难过，没有能够答辩，因为自己感觉我已经对函数信号发生器的电路十分了解了。

Pcb原理图：

所用仪器及元器件： 仪器：直流稳压电源，示波器，万用表 元器件：电位器、电阻、电容 相关元件参数：

LM318 芯片：

输入失调电压 4mV； 增益带宽积：15MHz 耗电流：5mA 偏置电流：150nA 转换速率：70V/uS 电源：+/-20V

LM741 芯片：

LM741： 输入失调电压 0.8mV； 增益带宽积：1.5MHz 耗电流：1.7mA 偏置电流：30nA 转换速率：0.7V/uS 电源：+/-3V---+/-22V

三极管： 8050

参考文献：

《Protel DXP 基础与应用教程》 高明制作

《电子电路综合设计实验教程》 北邮出版社

《电子电路基础》 林家儒主编 北邮出版社