第一篇：基于fpga的多函數信號發生器設計 (完整版)

多函數信號發生器設計（鋸齒波、三角波、正弦波）

設計概述：

本信號發生器主要基于硬件FPGA和軟件QUARTUS軟件完成，完成了鋸齒波、三角波、正弦波的輸出，并可通過按鍵切換頻率（包括按鍵消抖功能）。

設計原理：

由于FPGA上無D/A轉換模塊，因此設計中利用PWM發生模塊，通過改變PWM的占空比，PWM輸出后經過二級RC低通波電路轉換為電壓幅值正比于占空比的模擬電壓，所以只需輸出相應的pwm，即可獲得相應的波形。

系統分析和程序設計：

本信號發生器采用構造體結構描述的基本框架，其中包括頂層文件和各個子器件。

1、頂層文件層序如下主要程序如下（注：實體名必須與工程名一致）

library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity zzz is port(clk,key:in std_logic;guan:out std_logic_vector(3 downto 0);hex : out std_logic_vector(6 downto 0);q:out std_logic);end entity;architecture kkk of zzz is--鋸齒波器件（頻率不同）component ju is port(clk1:in std_logic;guan:out std_logic_vector(3 downto 0);hex0

: out std_logic_vector(6 downto 0);q1:out std_logic);end component;--三角波器件

component san1 is port(clk8:in std_logic;guan: out std_logic_vector(3 downto 0);hex0

: out std_logic_vector(6 downto 0);--b:in integer;q8:out std_logic);end component;--正弦波器件 component zh is port(clk3:in std_logic;guan: out std_logic_vector(3 downto 0);hex0

: out std_logic_vector(6 downto 0);q3:out std_logic);end component;--按鍵器件

component an is port(clk4,key:in std_logic;b:out integer);end component;--輸出波形定義的型號變量 signal out2:std_logic;signal out3:std_logic;signal out4:std_logic;signal out5:std_logic;signal out6:std_logic;signal out7:std_logic;--返回數碼管狀態數據

signal hex0:std_logic_vector(6 downto 0);signal hex1:std_logic_vector(6 downto 0);signal hex2:std_logic_vector(6 downto 0);signal hex3:std_logic_vector(6 downto 0);signal hex4:std_logic_vector(6 downto 0);signal hex5:std_logic_vector(6 downto 0);--各個輸出波形返回數碼管狀態數據

signal guan0: std_logic_vector(3 downto 0);signal guan1: std_logic_vector(3 downto 0);signal guan2: std_logic_vector(3 downto 0);signal guan3: std_logic_vector(3 downto 0);signal guan4: std_logic_vector(3 downto 0);signal guan5: std_logic_vector(3 downto 0);end architecture kkk;

仿真和實驗結果：

（由于三角波和鋸齒波頻率較低所以效果有點閃爍）

使用說明: 仿真步驟：

1、新建vwf文件

2、雙擊此空白處3、4、點擊node fider

5、點擊list即可找到信號

6、點擊ok再運行即可

構造體結構描述基本框架設置：

1、首先新建vhdl文件再設置一個vhdl文件為頂層文件，若需要其他子器件可新建多個子vhdl文件

右鍵然后set as top-level entity即可將vhdl文件設置為頂層文件，一個工程只能有一個頂層文件

第二篇：函數信號發生器設計

函數信號發生器設計設計任務與要求

⑴ 設計并制作能產生正弦波、矩形波（方波）和三角波（鋸齒波）的函數發生器，本信號發生器可以考慮用專用集成芯片（如5G8038等）為核心實現。⑵ 信號頻率范圍： 1Hz∽100kHz；

⑶ 頻率控制方式：

① 手控通過改變RC參數實現；

② 鍵控通過改變控制電壓實現；

③ 為能方便地實現頻率調節，建議將頻率分檔；

⑷ 輸出波形要求

① 方波上升沿和下降沿時間不得超過200nS，占空比在48%∽50%之間；② 非線性誤差≤2%；

③ 正弦波諧波失真度≤2%；

⑸ 輸出信號幅度范圍：0∽20V；

⑹ 信號源輸出阻抗：≤1Ω；

⑺ 應具有輸出過載保護功能；

⑻ 具有數字顯示輸出信號頻率和電壓幅值功能。

第三篇：低頻函數信號發生器設計

實驗報告

課程名稱：

電子系統綜合設計

指導老師：

周箭

成績：

實驗名稱：低頻函數信號發生器（預習報告）實驗類型：

同組學生姓名：

一、課題名稱

低頻函數信號發生器設計

二、性能指標

（1）同時輸出三種波形：方波，三角波，正弦波；（2）頻率范圍：10Hz～10KHz；

（3）頻率穩定性：（4）頻率控制方式：

① 改變RC時間常數；

； ② 改變控制電壓V1實現壓控頻率，常用于自控方式，即F=f（V1），（V1=1～10V）； ③ 分為10Hz～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz三段控制。

（5）波形精度：方波上升下降沿均小于2μs，三角波線性度δ/Vom<1%，正弦波失真度

；

（6）輸出方式：

a)做電壓源輸出時

輸出電壓幅度連續可調，最大輸出電壓不小于20V 負載RL=100Ω～1KΩ時，輸出電壓相對變化率ΔVO/VO<1% b)做電流源輸出時

輸出電流幅度連續可調，最大輸出電流不小于200mA 負載RL=0Ω～90Ω時，輸出電流相對變化率ΔIO/IO<1% c)做功率源輸出時

最大輸出功率大于1W（RL=50Ω，VO>7V有效值）具有輸出過載保護功能

三、方案設計

根據實驗任務的要求，對信號產生部分，一般可采用多種實現方案：如模擬電路實現方案、數字電路實現方案、模數結合的實現方案等。

數字電路的實現方案

一般可事先在存儲器里存儲好函數信號波形，再用D/A轉換器進行逐點恢復。這種方案的波形精度主要取決于函數信號波形的存儲點數、D/A轉換器的轉換速度、以及整個電路的時序處理等。其信號頻率的高低，是通過改變D/A轉換器輸入數字量的速率來實現的。

數字電路的實現方案在信號頻率較低時，具有較好的波形質量。隨著信號頻率的提高，需要提高數字量輸入的速率，或減少波形點數。波形點數的減少，將直接影響函數信號波形的質量，而數字量輸入速率的提高也是有限的。因此，該方案比較適合低頻信號，而較難產生高頻（如>1MHz）信號。

模數結合的實現方案

一般是用模擬電路產生函數信號波形，而用數字方式改變信號的頻率和幅度。如采用D/A轉換器與壓控電路改變信號的頻率，用數控放大器或數控衰減器改變信號的幅度等，是一種常見的電路方式。

模擬電路的實現方案

是指全部采用模擬電路的方式，以實現信號產生電路的所有功能。由于教學安排及課程進度的限制，本實驗的信號產生電路，推薦采用全模擬電路的實現方案。

模擬電路的實現方案有幾種：

①用正弦波發生器產生正弦波信號，然后用過零比較器產生方波，再經過積分電路產生三角波。但要通過積分器電路產生同步的三角波信號，存在較大的難度。原因是積分電路的積分時間常數通常是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度將同時改變。若要保持三角波輸出幅度不變，則必須同時改變積分時間常數的大小，要實現這種同時改變電路參數的要求，實際上是非常困難的。

② 由三角波、方波發生器產生三角波和方波信號，然后通過函數轉換電路，將三角波信號轉換成正弦波信號，該電路方式也是本實驗信號產生部分的推薦方案。這種電路在一定的頻率范圍內，具有良好的三角波和方波信號。而正弦波信號的波形質量，與函數轉換電路的形式有關，這將在后面的單元電路分析中詳細介紹。

四、單元電路分析

1、三角波，方波發生器

由于比較器+RC電路的輸出會導致VC線性度變差，故采用另一種比較器+積分器的方式

積分器

同相滯回比較器

由積分器A1與滯回比較器A2等組成的三角波、方波發生器電路如圖所示。在一般使用情況下，V+1和V-2都接地。只有在方波的占空比不為50%，或三角波的正負幅度不對稱時，可通過改變V+1和V-2的大小和方向加以調整。

合上電源瞬間，假定比較器輸出為低電平，vO2=VOL=-VZ。積分器作正方向積分，vO1線性上升，vp隨著上升，當vp>0時，即vo1≥R2/R3*,比較器翻轉為高電平，vO2=VOH=+VZ。積分器又開始作負方向積分，vO1線性下降，vp隨著下降，當vp<0時，即vo1≥R2/R3*,比較器翻轉為低電平，vO2=VOH=-VZ。

取C三種值:0.1uF 對應10-100Hz； 0.01uF 對應100-1kHz； 0.001uF 對應1k-10kHz。調節R23的比值可調節幅度，再調節R，可調節頻率大小。

2、正弦波轉換電路 常用方法有使用傅里葉展開的濾波法，使用冪級數展開的運算法，和轉變傳輸比例的折線法。但前二者由于其固有的缺陷：使用頻率小，難以用電子電路實現的原因，在本實驗中舍棄，而采取最普遍的折線法。

折線法是一種使用最為普遍、實現也較簡單的正弦函數轉換方法。折線法的轉換原理是，根據輸入三角波的電壓幅度，不斷改變函數轉換電路的傳輸比率，也就是用多段折線組成的電壓傳輸特性，實現三角函數到正弦函數的逼近，輸出近似的正弦電壓波形。由于電子器件（如半導體二極管等）特性的理想性，使各段折線的交界處產生了鈍化效果。因此，用折線法實現的正弦函數轉換電路，實際效果往往要優于理論分析結果。

用折線法實現正弦函數的轉換，可采用無源和有源轉換電路形式。無源正弦函數轉換電路，是指僅使用二極管和電阻等組成的轉換電路。根據輸入三角波電壓的幅度，不斷增加（或減少）二極管通路以改變轉換網絡的衰減比，輸出近似的正弦電壓波形。

有源正弦函數轉換電路除二極管、電阻網絡外，還包括放大環節。也是根據輸入三角波電壓的幅度，不斷增加（或減少）網絡通路以改變轉換電路的放大倍數，輸出近似的正弦電壓波形。

有

源

正

弦

函

數

若設正弦波在過零點處的斜率與三角波斜率相同，即

則有，由此，可推斷出各斷點上應校正到的電平值：

方案一，使用二極管控制形成比例放大器，使得運放在不同時間段有不同的比例系數

方案二，用二極管網絡，實現逐段校正，運放A組成跟隨器，作為函數轉換器與輸出負載之間的隔離（或稱為緩沖級）。

當輸入三角波在T/2 內設置六個斷點以進行七段校正后，可得到正弦波的非線性失真度大致在1.8 % 以內，若將斷點數增加到12 個時，正弦波的非線性失真度可在0.8 %以內。3 輸出級電路 根據不同負載的要求，輸出級電路可能有三種不同的方式。

(1)電壓源輸出方式

電壓源輸出方式下，負載電阻RL通常較大，即負載對輸出電流往往不提出什么要求，僅要求有一定的輸出電壓。同時，當負載變動時，還要求輸出電壓的變化要小，即要求輸出級電路的輸出電阻RO足夠小。為此，必須引入電壓負反饋

圖（a）電路的最大輸出電壓受到運放供電電壓值的限制，如運放的VCC 和VEE 分別為±15V時，則VOPP =±(12 ~ 14)V。若要求有更大的輸出電壓幅度，必須采用電壓擴展電路，如圖12（b）所示。

(2)電流源輸出方式

在電流源輸出方式下，負載希望得到一定的信號電流，而往往并不提出對輸出信號電壓的要求。同時，當負載變動時，還要求輸出電流基本恒定，即要求有足夠大的輸出電阻Ro。為此，需引入電流負反饋。

圖（a）電路的最大輸出電壓受到運放供電電壓值的限制，如運放的VCC 和VEE 分別為±15V時，則VOPP =±(12 ~ 14)V。若要求有更大的輸出電壓幅度，必須采用電壓擴展電路，如圖（b）所示。

a）為一次擴流電路，T1 和T2 組成互補對稱輸出。運放的輸出電流IA中的大部分將

圖（作為T1、T2 的基極電流，所以IO = βIA。圖（b）為二次擴流電路，用于要求負載電流IO 較大的場合。復合管T1、T2和T3、T4 組成準互補對稱輸出電路。

(3)功率輸出方式

在功率輸出方式下，負載要求得到一定的信號功率。由于晶體管放大電路電源電壓較低，為得到一定的信號功率，通常需配接阻值較小的負載。電路通常接成電壓負反饋形式。如用運放作為前置放大級，還必須進行擴流。當RL較大時，為滿足所要求的輸出功率，有時還必須進行輸出電壓擴展。

靜態時，運放輸出為零，– 20V電源通過下列回路：運放輸出端→R1 →DZ →b1 →e1 → –20V 向T1 提供一定的偏置電流 R6 ,C3 和R7 ,C4 組成去耦濾波電路。需要注意的是幾個晶體管的耐壓限流以及最大功率值。

其中調節W可改變晶體管的靜態工作電流，從而克服交越失真。

4)輸出級的限流保護 由于功率放大器的輸出電阻很小，因而容易因過載而燒壞功率管。因此需要進行限流保護。

圖（a）是一種簡單的二極管限流保護電路，當發生過流（I o過大）時，R3、R4 上的壓降增大到足以使D3、D4 導通，從而使流向T1、T2 基極的電流信號I1、I2 分流，以限制I o 的增大。

圖（b）是另一種限流保護電路，T3、T4 是限流管。當I o 過大，R5、R6 上的壓降超過0.6V時，T3、T4 導通防止了T1、T2 基極信號電流的進一步增大。I o 的最大值為 0.6/R5，R3、R4 用來保護限流管T3、T4。

五、仿真分析

以1KHz為例即C=1nF

三角波方波發生電路

方波下降沿時間4.3μs

三角波峰值

改變RP2

改變RP1

調節占空比

調節偏移量

正弦波轉換器

三角波轉換正弦波，三角波放大后輸出峰峰值10V

靜態工作點

改變靜態工作點（調節RP45）發生失真

功率放大電路

功率放大波形，輸入為之前的正弦波，變阻器衰減后最大不失真輸出電壓

總電路圖，模塊形式

衰減前的輸入信號與輸出信號

由仿真結果來看，基本滿足設計要求，準備按仿真電路設計實際電路。

六、仿真心得

在仿真的過程中出現了一下幾個問題，但后來都分別排查掉了，希望實際連接時不再犯。

1、運放未接電源導致沒有波形

2、變阻器接入阻止過小或過大導致沒有信號或失真（尤其需要注意）

3、Lm324故障無法解決導致用了LM353代替

第四篇：函數信號發生器設計論文.

四川師范大學成都學院通信原理課程設計 目 錄

前言.....................................................................1 1 函數信號發生器設計任務................................................1 1.1 設計提議...........................................................1 1.2 方案論證與研究.....................................................1 2 方案設計..............................................................2 2.1 項目指標...........................................................2 2.1.1 電源參數.......................................................2 2.1.2 工作頻率.......................................................2 2.2 方案比較及選擇.....................................................2 3 設計理論..............................................................3 3.1 函數發生器的結構組成...............................................3 3.2 方波信號...........................................................3 如圖3.2-1由運算放大器和電容積分電路、Rf組成的，輸出電壓最終反饋到運

放反相輸出端，因此積分電路有負反饋和延遲的作用。........................3 3.3 正弦波信號.........................................................4 3.4 三角波信號.........................................................6 4 RC振蕩電路設計........................................................7 5 放大器功率及ICL8038介紹...............................................9 5.1 放大器功率.........................................................9 5.2 ICL8038原理介紹...................................................10 6 致謝..................................................................11 7 總結及體會............................................................12 附錄1 系統原理圖.......................................................13 附錄2 系統元件清單.....................................................14 附錄3 系統PCB圖.......................................................15 I 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 參考文獻................................................................16 II 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 函數信號發生器設計論文

前言

函數信號發生器的制作是以集成塊ICL8038為核心器件，制作的成本也相對較低。是適合學生學習、使用電子技術測量。ICL8038可以輸出具有多種波形的精

密振蕩集成電路，要想產生從0.001Hz～30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脈沖信號只需要個別外部元件。輸出波形的占空比和頻率還可以由電阻或電流控制。其次由于此芯片具有調制信號的輸入端，所以可以用作頻率調制，針對于低頻信號。

函數信號發生器有著不同的用途，其電路中使用的器件是分離器件的可以產生三種或多種波形的函數發生器；而產生正弦波、方波、三角波也有多種方案，是集成器件電路，如先產生正弦波，根據其周期性內部某種確定的函數關系，再將正弦波通過整形電路轉化為方波，最后三角波通過積分電路形成。也可以先產生方波或三角波，再將方波或三角波轉化成正弦波。隨著電子技術日益發展，新器材、新材料越發漸好，隨著期間可選性的增加，函數信號發生器開發出更多的新款式，比如在技術上很可靠的產生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以選擇多種多樣的方案，原則上是可行的。1 函數信號發生器設計任務 1.1 設計提議

產品開發、工業生產、科學研究等領域都的使用函數信號發生器，它常用的基本測試信號有鋸齒波和正弦波、矩形波、三角波。常作為時基電路的鋸齒波信號在示波器等儀器中利用熒光屏顯示圖像。例如，想要通過示波器熒光屏上觀察到被測不失真地信號波形，通過產生鋸齒波電壓使的電子束在水平方向勻速搜出熒光屏。方波，三角波都有著不同的重要作用，而函數信號發生器是指一種能自發的產生方波、正弦波、三角波和鋸齒波階梯波等電壓波形的儀器或電路。因此，提議設計一種能產生三角波、正弦波、方波的函數信號發生器。1.2 方案論證與研究

函數信號發生器用途較多，其電路中使用的器件是分離器件的可以產生三種或多種波形的函數發生器；而產生正弦波、方波、三角波也有多種方案，是集成器件電路，如先產生正弦波，根據其周期性內部某種確定的函數關系，再將正弦波通過整形電路轉化 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 為方波，最后三角波通過積分電路形成。也可以先產生方波或三角波，再將方波或三角波轉化成正弦波。隨著電子技術日益發展，新器材、新材料越發漸好，隨著期間可選性的增加，函數信號發生器開發出更多的新款式，比如在技術上很可靠的產生正弦波、三角波、方波的主芯片ICL8038。所以，可以選擇多種多樣的方案，原則上是可行的。2 方案設計

2.1 項目指標 2.1.1 電源參數

● 輸入：雙電源 +12V、-12v

● 輸出：方波電壓約等于12v，三角波電壓與約等于5v，正弦波電壓大于1v，幅 度可連續調，線性失真就會較小。2.1.2 工作頻率

頻率范圍：10HZ～100HZ,100HZ～1000HZ 2.2 方案比較及選擇

方案一：正弦振蕩是由文氏電橋產生，然后得到方波，三角波是方波積分得到的。此方案結構簡單，是一開環電路，產生的失真較小的正弦波和方波波形①。但于產生三角波則比較有麻煩，因為頻率覆蓋系數要求有1000倍，因此對于1000倍的頻率變化會有積分時間從而使輸出電壓振幅的1000倍變化。而這是不滿足電路要求的。幅度的穩定性幾乎難以達到要求。并且通過仿真實驗會發現積分器極易產生線性失真。

方案二：通過芯片ICL8038產生8083集成函數發生器。

該集成函數發生器是一種用途較多的波形發生器，可以產生方波、正弦波、三角波和鋸齒波，通過外加的直流電壓進行振蕩器調節，所以是電壓控制集成信號產生器。由于兩個電流源控制外接電容C的充、放電電流，所以電容C兩端電壓大小變化與時間成線形關系，從而可以輸出理想的三角波波形。8038電路中含正弦波變換器，因此可以將三角波轉化成正弦波輸出。另外還可以將三角波轉換成方波輸出通過觸發器。此方案的特點有： ◆ 穩定性好而且線性良好；

◆ 易調頻率，頻帶在幾個數量級范圍內，可以方便地、連續地改變頻率大小，而且 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 ◆ 變頻率的同時，幅度是不會發生變的；

◆ 不會出現過渡過程，只要接通電源后就會立即產生穩定的波形圖； ◆ 方波和三角波在半周期內的時間是線性函數，容易轉換為別的波形。故由此，本次信號設計采用的是第二種方案。3 設計理論

3.1 函數發生器的結構組成

函數發生器是指能夠自動產生方波、正弦波、三角波的電壓波形的儀器或電路。可以采用由運放、分離元件及單片集成函數發生器構成電路形式。根據不同的用途，可以產生三種或多種不同波形的函數發生器，本次介紹的事不同函數信號發生器的方法。

函數信號發生器是由正弦波形發生電路和基礎的非正弦信號發生電路組合成的。下面我們將分別對方波、正弦波、三角波的發生進行分析，從而使在合成電路時電路更加的合理。3.2 方波信號

如圖3.2-1由運算放大器和電容積分電路、Rf組成的，輸出電壓最終反饋到運放反相輸出端，因此積分電路有負反饋和延遲的作用。

圖3.2-1 運算放大電路

電路如圖3.2-2所示，在接通電源時，電容兩端的電壓為零，且輸出電壓等于UZ，所以運放同相輸出端的電壓uP=UzR2=UZF。R1+R2 3 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 此時uO=UZ向C充電，使運放反相端輸入電壓uN不斷上升。在uN小于uP以前，uO=UZ不變。在t=t1時，uN逐漸上升到略高于uP，使uO從高電平跳到低電平，變為-UZ。

此時通過Rf向C充電，使運放反相輸入端的電壓uNuP=-UZF，uO=-UZ時，逐漸增加。在uN大于uP以前，uO=-UZ大小保持不變。在t等于t2時，uN減小到稍低于uP，則uO從低電平跳到高電平，變為UZ，又回到最初狀態。如此重復，循環，從而產生振蕩，并輸出方波。

根據上面的分析，從而可以畫出如下圖uO與uC的波形：

圖3-2-2 uO與uC的波形

有圖波形，并取適當的R1、R2值，F=R2(R1+R2)，則T=2RfC，得到振蕩頻率為：

3.3 正弦波信號

即又被稱為文氏電橋振蕩器，如圖3-3-1所示其中是由同相運放電路組成的A放大器，如圖3.3-1，Av= VoR=(2+1)VdR1f0=11=T2CRf 4 四川師范大學成都學院通信原理課程設計

圖3.3-1 文氏電橋振蕩電路 圖3.3-2 同相運放電路

由RC串并聯組成網絡F，因為運放的輸入阻抗較大，所以輸出阻抗Ro就很小，對網絡F幾乎沒有影響影響，故忽略不計，根據圖3.3-3得 R VfjωRC+1Fv==1RVo++RjωC1+jωRC =R 1(jωRC+1+R)+RjωC=R1j(ωR2C-)+3RωC 5 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 根據自激振蕩條件： AF =T=1故有AvFv=AvR=1 因此上式中分母12j(ωRC-)+3RωC 中的虛部必須等于零，即 R2Cw-1=0 ωC ?振蕩頻率ω0=1 CR

上式中實部為1，所以起振條件Av=3 圖3.3-2是同相運放，Av=R2+1 須滿足條件2R1=

R2 R1 圖3.3-3 RC串并聯

3.4 三角波信號

根據RC的積分電路輸出和輸入信號波形的關系可得，當輸入信號是方波時，則輸出的信號便是三角波，由此可知，三角波信號發生器是由RC積分電路和方波信號發生器組成。下圖3-2-3便是三角波信號發生器的電路組成。圖中的方波信號發生器是由A1運算放大器組成，RC積分電路是由A2組成。該電路的設計原理是：由方波信號發生器輸出方波。反相積分電路由圖中A1，A2和C、R4等組成。

分析可以畫出uO1和uO的波形，如圖3.4-1所示。6 四川師范大學成都學院通信原理課程設計

圖3.4-1 uO1和uO的波形

電壓uO的上升和下降幅度和時間變量相等，而且上升和下降的斜率的絕對值大小也相等。三角故波uO峰值為：

Uom= UZR2 R1 4R1R4C R2 則在調整三角波電路時，R1或R2應被先調整,使峰值達到所需要的值，最后再調整故振蕩周期： T=2(t2-t1)=R4或C，使頻率f0能滿足要求。4 RC振蕩電路設計

RC振蕩器電路的設計，就是根據給出的指標要求，選擇適合的電路結構形式，并確定和計算電路中各元件的參數，在所要求的頻率范圍內使它們滿足振蕩的條件，使電路產生正弦波形。RC振蕩器的設計的步驟為：

● 根據已知的指標參數，選擇適合的電路形式。● 計算并確定電路中的各元件參數。● 選擇運算放大器

● 為滿足電路指標要求可通過調試。四川師范大學成都學院通信原理課程設計

例如：設計一個振蕩頻為800Hz的RC正弦波振蕩器。設計步驟如下: 計算并確定電路中的各元件參數。● RC的值可根據振蕩器的頻率計算。RC= ● 確定R和C的值 1=1.99?10-4(s)2πf0

為了使選頻網絡不受運算放大器輸入和輸出電阻的影響。按：Ri >> R >> R0的關系確定R的值。其中：運算放大器同相端的輸入電阻Ri。為運算放大器的輸出電阻R0。

當R=20kΩ時，則：

1.99?10-4-7C==0.995?10F 320?10 ● 確定R3和Rf 的值（Rf=R4+Rw+rd//R5)根據振蕩的振幅條件，Rf應大于2R3，取Rf=2.01R3。從而減小波形失真。此外，為了滿足R等于R3并聯Rf的直流平衡條件，并減小運放輸入失調的影響。

由Rf=2.01R3和R=R3//Rf可求出：

R3= 取整數值: R3=30k Ω

所以:Rf=2.01R3=2.01?30?103Ω=60.3kΩ.為了是效果更好, Rf與R3的值還可以通過實驗調整后確定。● 確定其元件值及電路。

電路由R5和接法相反的二極管D1、D2并聯而成。

二極管D1、D2 應選用其元件值硅管，因其溫度穩定性較高。當然二極管D1、D2的特性必須保持一致，以確保輸出波形的正負半軸對稱。● R2與R5確定

由于二極管的非線性會導致波形失真，因此，可在二極管的兩端并上一個阻值與rd相近的電阻R5。用來減小非線性失真，然后再經過調整，達到最好效果。便可確定R5，再計算出R2。為了是效果更加明顯,電阻 R2可用50kΩ電阻和40 kΩ的電位器串聯。● 運放型號的選擇

運放選擇，要求輸入高阻、輸出低阻，而且滿足增益帶寬積：Auo? BW 大于3fo 的 3.13.1?20?103=29.8?103Ω R =2.012.01 四川師范大學成都學院通信原理課程設計

條件。因為fo=800Hz，所以選擇μA741集成運算放大器。5 放大器功率及ICL8038介紹 5.1 放大器功率

由多級放大器組成的便是電子電路。在工作過程中，電壓放大是由小信號放大電路對輸入信號進行的，再通過功率放大電路將功率放大，以便于控制或驅動負載電路工作。功率放大器就是以功率放大為目的的電路。低頻功率放大器也稱為功率放大器，是能使低頻信號功率放大的放大器。

如圖5.1-1 OTL 低頻功率放大器所示。其中由晶體三極管T1組成前置放大級（也稱推動級），T2、T3是一組參數對稱的PNP和NPN型晶體三極管，它們組成OTL功放電路。射極輸出器形式是由每一個管子接成的，因此輸出電阻低，負載能力較強等優點，適合功率輸出級。甲類狀態由T1管工作，此集電極電流IC1是通過電位器RW1進行調節。IC1 的一部分流經二極管D及電位器RW2，給T2、T3提供電壓。通過調節RW2，可以使T2、T3在甲、乙類狀態得到合適的靜態電流，以克服失的一端，因此可在電路中引入交、直流電壓并聯負反饋，一方面改善了非線性失真，同時也能夠穩定放大器的靜態工作點。R和C2構成用于提高輸出電壓正半周的幅度自舉電路，從而得到較大的動態范圍。C2和R 構成自舉電路，用于提高輸出電壓正半周的幅度，以得到大的動態范圍。主要性能指標是OTL 電路。

在輸出功率P0m的最大不失真理想情況下，在實驗中可測量RL 兩端的電壓有效值通過計算來得實際的

其中由晶體三極管T1組成前置放大級（也稱推動級），T2、T3是一對參數對稱的NPN和PNP型晶體三極管，互補推挽的OTL功放電路就由它們組成。由于射極輸出器形式是每一個管子連接成的，因此具有輸出低電 阻，負載能力較強等優點，適合作用于功率輸出級。甲類狀態T1管工作，通過調節電位器RW1來調節它的集電極電流IC1。IC1 的一部分流經二極管D及電位器RW2，給T2、T3提供偏電壓。為甲、乙類狀態在T2、T3得到合適的靜態電流，可通過調節RW2來實現，從而又由于RW1的一端接在A點，因此在電路中引入交、直流電壓并聯負反饋，一方面能夠穩定放大器的靜態工作點，同時也改善了非線性失真。9 四川師范大學成都學院通信原理課程設計

圖5.1-1 OTL 功率放大器實驗電路 5.2 ICL8038原理介紹

芯片ICL8038是單片集成函數發生器，如圖5-3s所示為其內部原理電路框圖。ICL8038由恒流電流源I1、I2，觸發器和電壓比較器C1、C2等組成。電壓比較器C1的門限電壓為2VR/

3、的為VR(VR= VEE+VCC)，可通過調節外接電阻確定電流源I1和I2的大小，并且I2必須大于I1。當觸發器Q端輸出電平低時，I2通過開關S的控制從而使電流源斷開。而電流源I1向外接電容C充電，電壓隨時間變化線性下降，當其下降到小于VC時，比較器C2輸出發生跳變，當VC上升到2VR/3時，比較器C1輸出波形會發生跳變，從而使觸發器輸出端Q由低電平變為高電平，電流源I2接通通過控制開關S。當其上升和下降時間相等時，產生的波形輸出到引腳3，而觸發器輸出的波形經緩沖器輸出到引腳9。三角波由正弦波變換器變成正弦波后由引腳2輸出。由此知ICL8038能輸出三角波、方波和正弦波等三種及三種以上的不同波形。其中，外部接入振蕩電容C，它是通過內部兩個恒流電源來完成充電、放電的過程。恒流源2的工作狀態是由恒流源1對電容器C持續充電，并增加電容電壓，從而達到改變比較器的狀態改變、輸入電平以及帶動觸發器翻轉來連續控制的。當觸發器使恒流源2處于關閉狀態，電容電壓值是比較器1輸入電壓規定值的2／3倍時，比較器1的狀態發生改變，使觸發器的工作狀態發生翻轉，此時將模擬開關K由B接到A點。因為恒流源2的電流值為2I，比恒流源1大，所以電容器處于放電狀態，在單位時間內電容器端電壓將將發生改變，為線性下降，當電容電壓值下降到比較器2的輸入電壓規定值的1／3倍時，比較器2狀態發生改變，使觸發器再次翻轉到原來的狀態，周而復始的完成此振蕩過程。四川師范大學成都學院通信原理課程設計 根據以上分析，上述基本電路中很容易獲得3種函數信號，倘若電容器在放電過程和在充電過程的時間常數相等，而且是在電容器充放電時，那么電容電壓輸出的就是三角波函數，從而三角波信號由此獲得。因為觸發器的工作狀態也是由電容電壓的充放電的過程決定的，因此，觸發器的狀態通過翻轉，就能夠產生方波函數信號，在芯片內部結構中，這兩種信號經過緩沖器功率的放大，并從管腳3和管腳9輸出可得。滿足方波函數等信號在頻率、占空比調節的全部范圍可適當的選擇外部電阻RA和RB和C。所以，對兩個電流源在I和2I電流不等的情況下，可以從最小到最大范圍中循 環調節，并任意選擇調整，因此，只需要使電容器充放電時間不相等，便可獲得鋸齒波等函數信號。

圖5.2-1 內部原理電路框圖 6 致謝

本課題在選題以及研究過程是在孫活老師的親切關懷和悉心指導下完成的。老師們多次詢問研究設計進程，并為我悉心指點迷津，幫助我開拓思路，耐心點撥、鼓勵。老師們嚴謹細致、一絲不茍的工作作風，嚴謹求實的態度，踏踏實實的精神，不僅授我以文，而且教我做人，雖歷時三載，卻給以終生受益無窮之道。對老師的感激之情是無法用言語表達的。感謝帶過我的老師對我的教育培養。他們細心指導我的學習與研究，從課題的選擇到項目的最終完成，老師們都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在此，我要向諸位老師深深地鞠上一躬并致以誠摯的謝意和崇高的敬意。

在此，我還要感謝我的5位室友，正是有你們的幫助、理解和支持，我才能克服一個一個的困難，直至順利的完成本文。當然也缺少不了一起愉快度過三年的大

學同學，他們給與我幫助，支持，我在此也由衷的表示感謝。最后我還要感謝含辛茹苦的把培養 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 我長大的父母，謝謝您們!7 總結及體會

通過本次課程設計，加強了我們的思考、動手和解決問題的能力，經常會遇到不同的情況，心里總想著這樣的接法或許可以行得通，但實際接上電路后才發現不對，實現不了預想的效果，因此耗在這上面的時間用的比較多。

我覺得做課程設計的同時也鞏固和加強了課本知識，由于課本上的知識太多而且零散，平時課間的學習也并不能很好的理解并運用各個元件的功能，考試內容又比較有限，因此在這次課程設計過程中，我了解了很多元件的功能以及使用。平時看課本學習書本知識時，有時問題總是弄不懂，可做完設計，那些不是問題的問題就迎刃而解了。甚至還記住很多東西，受益匪淺。如一些芯片的功能及作用，平時看課本講解，看一次忘一次，沒從根本上理解。通過這次動手實踐讓我對各個元件印象深刻。所以認識、了解來源于實踐，實踐才是認識的動力和最終目的，實踐出真理。所以這次的設計對我的學習和幫助作用都非常大的。

通過該次設計，在理論學習時，很少會有實踐的機會，但我們學院可以，而且設計制作也是一個團隊的任務！一起的學習工作中可以讓我們團結一致，相互幫助，默契配合，多少歡樂在這里灑下。我認為我們的工作是一個團隊的工作，團隊需要個人，個人也離不開團隊，必須發揚團結合作的精神。這次實驗設計必將成為我人生旅途上的一個非常美好的回憶！

通過對此課程設計是我認識到，電路設計需要我們耐心，需要縝密的整套思維邏輯，要求我們學會分析。懂得只有理論知識是遠遠不夠的，只有將理論和實踐結合起來才能順利完成。我期盼在今后的學習過程中能讓學生更加的接近器材，獨立完成很多知識不能只看表面，要深究其真正作用才行，需要不斷積累經驗。所以說，坐而言不如立而行，對于這些電路還是得自己親自動手才能印象深刻。這次的課程設計終于順利完成了，在設計中也遇到了很多專業知識問題，最后通過老師的辛勤指導，終于迎刃而解了。經過老師的悉心指導，我們學也到了很多實用的知識，在次我表示深深感謝！同時，對給過我幫助和支持的所有同學及各位指導老師再次表示忠心的感謝！四川師范大學成都學院通信原理課程設計 附錄1 系統原理圖

圖1 系統原理圖 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 附錄2 系統元件清單 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 附錄3 系統PCB圖

圖2 信號發生器圖 四川師范大學成都學院通信原理課程設計 參考文獻

[1] 康華光、鄒壽彬：電子技術基礎數字部分（第四版），高等教育出版社，1999.3，P3-P7 [2] 劉光明：現代通信原理，人民郵電出版社，2007.6, P21-P30 [3] 任元、吳勇：《常用電子原件簡明手冊》，工業出版社，2005.2, P7-P10 [4] 童詩白：模擬電子技術，高等教育出版社，2003.8 , P52-P57 [5]杜膚生：數字集成電路應用，人民郵電出版社，2001.6, P31-P42 [6] 王兆義：電路分析，機械工業出版社，2007.7, P15-P27 [7] 周永金：《模擬電子技術及應用》，陜西鍋飯學院電子教研室.2003.5, P135-P141 [8] 陳路、鄭毅：PROTEL 99SE 電路板設計與制作，人民郵電出版社，2007年第2期，P21－P28 16

第五篇：函數信號發生器設計實驗報告

函數信號發生器的設計

實驗報告

院 系：電子工程學院

班 級：2012211209 姓 名：陳炳文 班內序號：

學 號：

0

實驗目的：

設計一個設計制作一個可輸出方波、三角波、正弦波信號的函數信號發生器。

1，輸出頻率能在1—10KHz范圍內連續可調，無明顯失真；

2，方波輸出電壓Uopp = 12V,上升、下降沿小于10us（誤差<20%）； 3，三角波Uopp = 8V（誤差<20%）； 4，正弦波Uopp≥1V。

設計思路：

1，原理框圖：

2，系統的組成框圖：

分塊電路和總體電路的設計：

函數發生器是指能自動產生方波、三角波和正弦波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運放及分離元件構成；也可以采用單片集成函數發生器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的函數發生器，本課題采用由集成運算放大器與晶體差分管放大器共同組成的方波—三角波、三角波—正弦波函數發生器的方法。

本課題中函數信號發生器電路組成如下：

第一個電路是由比較器和積分器組成方波—三角波產生電路。單限比較器輸出的方波經積分器得到三角波；第二個電路是由差分放大器組成的三角波—正弦波變換電路。

差分放大器的特點: 工作點穩定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性。傳輸特性曲線越對稱，線性區域越窄越好;三角波的幅度Uim應正好使晶體接近飽和區域或者截至區域。

Ⅰ、方波—三角波產生電路設計

方波輸出幅度由穩壓管的穩壓值決定，即限制在（Uz+UD）之間。方波經積分得到三角波，幅度為Uo2m=±（Uz+UD）

方波和三角波的震蕩頻率相同，為f=1/T=āRf/4R1R2C，式中ā為電位器RW的滑動比（即滑動頭對地電阻與電位器總電阻之比）。即調節RW可改變振蕩頻率。

根據兩個運放的轉換速率的比較，在產生方波的時候選用轉換速率快的LM318，這樣保證生成的方波上下長短一致，用LM741則會不均勻。產生三角波的時候選用LM741。其中R1、Rf的值根據實驗要求設定在20K和30K，根據計算可設定R2=5KΩ，C=0.01uF。根據運放兩端電阻要求的電阻平衡，選擇R4的阻值和R2的相等，即R4=5K歐姆。根據所需要輸出方波的幅度選擇合適的穩壓管和限流電阻R0的大小。穩壓管為給定的2DW232，其穩壓幅度已經給定。選擇限流電阻R0為2Ω。為使ā的變化范圍較大，信號的頻率范圍達到要求，電位器RW選擇為1K歐姆范圍內可調。

Ⅱ、三角波—正弦波產生電路設計

差動放大器具有很大的共模抑制比，被廣泛應用于集成電路中，常作為輸入級或中間級。

差動放大器的設計：

1，確定靜態工作點電流Ic1、Ic2、Ic3 靜態時，差動放大器不加入輸入信號，對于電流鏡Re3=Re4=Re Ir=Ic4+Ib3+Ib4=Ic4+2Ib4= Ic4+2 Ic4/β≈Ic4= Ic3 而 Ir= Ic4= Ic3=（Ucc+Uee-Ube）/(R+Re4)上式表明恒定電流Ic3主要由電源電壓Ucc、Uee和電阻R、Re4決定，與 晶體管的參數無關。由于差動放大器得靜態工作點主要

由恒流源決 定，故一般先設定Ic3。Ic3取值越小，恒流源越恒定，漂移越小，放大 器的輸入阻抗越高。因此在實驗中，取Ic3為1mA。有Ic1= Ic3=1/2 Ic3=0.5mA。由R+Re=（Ucc+Uee-Ube）/Ir,其中Ucc為12V，Uee也為12v，Ube的典型值為0.7V（在本次取值中可以忽略）Ir為1mA,故取R=20KΩ，Re4=2KΩ。由于鏡像電流源要求電阻對稱，故取Re3=2KΩ。2，差模特性

差動放大器的輸入和輸出各含有單端和雙端輸入兩種方式，因此，差 動放大器的輸入輸出共有四種不同的連接方式。不同的連接方式，電路的特性不同。Rp 的取值不能太大，否則反饋太強，一般取 100Ω左 右的電位器，用來調整差動放大器的對稱性。3，三角波—正弦波變換電路

三角波—正弦波變換電路的種類很多，有二極管橋是電路，二極管可變分壓器電路和差分放大器等。利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性，實現三角波—正弦波的變換。

圖中RP1調節三角波的幅度，RP2調整電路的對稱性，并聯電阻RE用來 減小差分放大器傳輸特性曲線的線性區。電容C1,C2,C3為隔直流電容，用單向的大電容不但很好的濾除直流分量，還能避免雙向耦合，使輸出地波形清晰穩定。C4為濾波電容，以濾除高頻信號干擾，改善輸出正弦波的波形，減少不確定的信號干擾。

電解電容C1、C2、C3為隔直流電容，為達到 良好的隔直流、通交流的目的，其容值應該取的相對較大，故取 C1=10uF C2=10uF C3=10uF。Rp1調節三角波的幅度，為滿足實驗要求，其可調 范圍應該比較大，故取Rp1=22kΩ。Rb1與Rb2為平衡電阻，取值為Rb1= Rb2=6.8KΩ。流進T1，T2集電極電流約為0.5mA，為滿足其正弦波的幅 度大于1mA，取Rc1= Rc2=5.1kΩ，使得電流流經Rc2的電壓降不至于很大。C4為濾波電容，其值應該滿足要求的正弦電壓幅度與頻率，其值 不能取太大，否則會是幅度太小無法達到要求，故取C4=0.01uF。至 此，電路的設計基本完成，需要在實驗中進一步調試電路。

電路的安裝與調試：

一，三角波---正弦波轉換電路的安裝與調試： 安裝三角波——正弦波變換電路

1.在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線； 2.搭生成直流源電路；

3.接入各電容及電位器；

4.按圖接線，注意直流源的正負及接地端。調試三角波——正弦波變換電路

1.接入直流源后，把 C4 接地，利用萬用表測試差分放大電路的靜態 工作點； 2.測試 C,D 兩端電壓，當不相等時調節 RP 使其相等；

3.在 C5 端接入示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當輸出波形剛好不失真時記入其最大不失真電壓；

二，方波—三角波發生電路的安裝與調試：

安裝方波—三角波產生電路

1.把 2 塊集成運放插入面包板，注意布局；

2.分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法； 3.按圖接線，注意直流源的正負及接地端。調試方波—三角波產生電路

1.接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察； 2.調節 RP，微調波形的頻率；

3.觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部安裝。三，總電路的安裝與調試：

1.把兩部分的電路接好，即把三角波的輸出與差動放大器的輸入相連接，進行整體測試、觀察

2.針對各階段出現的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求，即 使方波的峰峰值為12伏，三角波為8伏，使正弦波的峰峰值大于 1V。

實驗結果：

方波的輸出：

輸出方波在±7v之間，基本滿足實驗要求，上升、下降沿9us，滿足要求，頻率可以通過電位器RP調節，在1-10KHz內輸出穩定。

三角波的輸出： 輸出三角波：

三角波Uopp=8.1V，滿足要求

正弦波的輸出：

正弦波Uopp≥1v 三種輸出波形的輸出頻率均可在1-10KHz內可調。

故障及問題分析

測試前的電路檢驗：

1.電路是否正確，對照實驗原理圖仔細檢查。2.測量儀器是否有問題，儀器顯示是否正確。3.電源供電（包括極性）、信號源連線是否正確檢查直流極性是否正確，信號線是否連接正確。并且用電壓表測試保證直流電源輸出符合要求。

4.檢查元器件引腳之間有無短路，連接處有無接觸不良，二極管、集成電路和電解電容極性等是否連接有誤。

測試出現的故障：

1.整個電路比較復雜，連接電路時出現的問題比較多，需要仔細的檢查，反復的測試才能得到需要的實驗結果。

2.在實驗之前需要檢查電路的正確性，避免電路連接錯誤而造成的燒毀電路或是不出波形。

3.實驗過程中，面包板可能短路，由于電阻的接線比較長，完全插入后可能錯綜在一起，造成短路，此時就應利用萬用表，挨個檢查，更換面包板，插線時不宜過深。

4.在三角波—正弦波轉換電路中，即使在調節了電路平衡之后，輸出波形也會存在一個偏斜。這時就需要調節RP1使波形變得正常。這個過程就需要調一會才會變化，所以需要有耐心。5.失真問題

在調試過程中，正弦波出現了以下失真，產生失真的原因及采 取的措施如下： 1）鐘形失真，傳輸特性曲線的線性區太寬，應減小 Re。從而減 小了線性區的放大效應。

2）非線性失真，三角波傳輸特性區線性度差引起的失真，主 要是受到運放的影響。可在輸出端加濾波網絡改善輸出波形。本次試 驗中可以通過增加 C4 的大小來減小波形的非線性失真。

3)截止失真或飽和失真。這可是由于電路設計時工作點選的不好。也可能是因為，在實際連電路時選取了與設計時的不同值近似。導致工作點的錯誤。檢查電路修改數據是解決的方法。

6.布線以及排版問題 對于可以輸出穩定波形的電路，需要簡化電路，讓電路看起來更美觀，更簡潔，更清楚，這樣有利于檢查錯誤和更改。

實驗總結及結論：

本次實驗是我第一次將所學的知識很好的用在實驗里解決了問題的一個。雖然以前也做過模電實驗，但都是按部就班。另外當時模電學的也不是特別明白有些實驗對于很多結果都還不清楚。這次雖然有一些設計原理我依然沒有完全吃透。但是對于我真正掌握所學知識并應用在實踐中是非常有幫助的。

在設計過程中我也查閱了一些資源，對于實驗器材以及實驗的慣例和常識有了更多的了解。方便自己根據實驗需要來選擇器材。

在試驗中我不僅學會了最基本的面包板的搭建與布線。器材的識別和檢測。還在試驗中基本解了函數信號發生器電路的組成及設計原理，初步了解了電路設計的方法，熟悉了電路仿真軟件protel dxp的使用。利用軟件仿真來對搭建電路很有幫助，有事半功倍的效果。而且這些工具都是我們將來在從事相關工作中不可或缺的東西。

總的來說，充分理解實驗原理是做好一個實驗的最重要的一環，如果不理解電路的原理，就不知道如何去更改參數，去調試電路板，除了原理，還要了解各個器件的特性和用法，比如電源的連線的方式。另外，這次實驗培養了我們動手能力。在搭建電路板的時候，需要細心耐心，布局以及連線都很有講究，不僅要求電路的通暢，還要注意電路板上各個元器件的布局，還有所使用的導線的顏色以及長度，通過這次試驗我可以鍛煉我們的電路版的搭建能力。這次實驗，熟悉了測量儀表的用法，熟悉了電阻，二極管等器件的測量和極性判斷方法，這些經驗都是寶貴的。后本次實驗在耐心與細心上面對我給予啟示，在電路搭好以后卻出不了波形的時候，要戒驕戒躁，耐心細心的去尋找，去排查，去測試，經過4周的努力拼搏，自己的實驗技能有了很大的提高，對于之后完成更加困難的實驗增強了信心。俗話說：“讀萬里書，行萬里路。”這樣的實踐就是一種“行走”的過程。讓我們在實踐中將知識融會貫通，而不僅僅是紙上談兵的呆書生。最后，感謝老師對我們實驗的悉心講解和指導。

電路仿真圖：

所用儀器及元器件：

儀器：直流穩壓電源，示波器，萬用表 元器件：電位器、電阻、電容

相關元件參數： LM318 芯片：

輸入失調電壓 4mV； 增益帶寬積：15MHz 耗電流：5mA 偏置電流：150nA 轉換速率：70V/uS 電源：+/-20V LM741 芯片：

LM741： 輸入失調電壓 0.8mV； 增益帶寬積：1.5MHz 耗電流：1.7mA 偏置電流：30nA 轉換速率：0.7V/uS 電源：+/-3V---+/-22V 三極管： 8050

參考文獻：

《Protel DXP 基礎與應用教程》 高明制作 《電子電路綜合設計實驗教程》 北郵出版社

《電子電路基礎》 林家儒主編 北郵出版社