1、1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itleN u m b e r R e v is i o nS iz eBD a te : 1 5 -J a n -2 0 0 5 S h e e t o f F ile : F :波形产生 .d d b D ra w n B y :V OV OM-V OMV R efV itt多功能信号发生器 专业技能训练 /课程设计 1. 设计 任务 1 设计一个基于 运算放大器 构成的能够产生正弦波、方波和三角波的多功能信号发生器； 2 要求掌握运放在开环、正反馈下的工作特点， 熟悉比较器电路，搞清其工作原理 ，掌握正弦波发生器，方波发生器，三角波发
2、生器的电路及其工作原理 3 设计技术要求：正弦波， 13Hz 和 2030Hz 两个频率点用开关切换；方波，直接对正弦波整形得到，并用红色和绿色 LED 作限幅和显示；三角波，直接对方波 积 分得到。 4. 绘制多功能信号发生器的电原理图，并仿真；完成多功能信号发生 器的实作 ，完成设计报告 。 2. 实验原理 2.1运放在开环，正反馈下的特点 运放在开环或引入正反馈下，它工作在限幅区（非线性工作区），这时运放有两个重要特点： 1）运放的两个输入端不取电流。 2）运放的两个输入端不一定是等电位（是否等电位与输入信号大小有关），而当两个输入端等电位时，运放的输出状态发生翻转。即当 V-由小于 V
3、+变至等于（稍大于） V+时，运放由正向限幅状态变为负向限幅状态；当 V-由大于 V+变至等于（稍小于） V+时，运放由负向限幅状态变至正向限幅状态。运放只是在正向限幅和负向限幅两种状态转换瞬间 经过线性工作区。 2.2比较器 图 1（ a）是将运算放大器在开环下应用构成一个电压比较器，输入电压 Vi与参考电压 VRef相比较，其传输特性如图 1(b) 所示。当 0V fRe 时，即输入电压与零电平相比较，则称之为过零比较器。 （ a）开环比较器 （ b）传输特性 （ c）波形变换 图 1 开环比较器及其传输特性 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um b
4、e r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 9 - J u l - 2 00 5 S he e t o f F i l e : E : 指导书 电子技术指导书 模拟电路 . d db D r a w n B y :V iV oAVVV oiVVOMOMV R e fR e f -1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT itleN u m b e r R e v is i o nS iz eBD a te : 1 5 -J a n -2 0 0 5 S h e e t o f F ile : F :波形产生 . d d b D ra w n B y :
5、ttiV1VV OV OMOM-V2V如果引入正反馈，可以构成具有回线形状传输特性的滞回比较器。图 2 (a) 所示为一反相输入的滞回比较器，该电路 当 OMO VV 时 上门限电压OMf1 11 VRR RV 当 OMO VV 时 下门限电压 )V(RR RV OMf1 12 回差电压 21 VVV 因此当 Vi 由小增大到等于 V1时，运放由正向限幅状态翻转为负向限幅状态，而当 Vi由大减小到等于 V2时，运放由负向限幅状态翻转为正向限幅状态，电路的电压传输特性如图 2 (b)所示。 （ a）滞回比较器 （ b）滞回比较器传输特性 （ c）波形变换 图 2 滞回比较器及其传输特性 如果图
6、1 (a)和 2 (a)中 Vi为正弦波，则 VO为方波如图 1 (c)和图 2 (c)所示，由此，比较器可以实现波形的变换。 若为了使输出电压的幅度被限制在 ZV ，可采用双向稳压管 DZ，电路如图 3所示，图中 R是稳压管的限流电阻。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 9 - J u l - 2 00 5 S he e t o f F i l e : E : 指导书 电子技术指导书 模拟电路 . d db D r a w n B y :V OMV OV iV 2 V 1-
7、V OMVVRR1foi图 3 具有限幅的滞回比较器 2.3方波发生器 方波发生器是一种能产生方波的信号发生电路，由于方波包含各次谐波分量，因此方波发生器又称为多 谐振荡电路。 方波发生器的基本电路如图 4所示，它是由一个反相输入的滞回比较器（其传输特性见图 2 (b)）和一个 RC积分电路组成。 （ a）方波发生器 （ b）波形图 图 4 方波发生器及其波形图 电路接通电源瞬时，电路的输出为正向限幅还是负向限幅纯属偶然，设输出处于正向限幅，即 VO=VZ时，则电容 C充电，其上电压 VC按指数规律上升，当VC上升到等于Z21 1 VRR R时，运放的输出翻转为负向限幅， VO=-VZ。若输出
8、处于负向限幅，即 VO=-VZ时，则电容 C 放电，其上电压 VC按指数规律下降，当 VC下降到等于 -Z21 1 VRR R时，运放的输出又翻转为正向限幅，如此循环不已，形成方波输出电压，波形图见图 4（ b）所示。 由分析可知，输出方波的周期为 )RR21l n (RC2T 211 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 0- J ul - 20 05 S he e t o f F i l e : E : 指导书 电子技术指导书 模拟电路 . d db D r a w n B
9、y :A+R 1KR47KR20K V z 6VDzVoVi1f1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 1- F e b- 20 07 S he e t o f F i l e : E : 课程建设与改革 教材建设 电子技术指导书 模拟电路 . ddbD r a w n B y :R 1KR4 7 KR 2 0 K V z 6 VDzVo12C0 . 1 u F1 0 K R 1 0 KPRV oVVVVVVV ZZZZOCR1R 1 + R 2R1R 1 + R 2-t+T+-Vc
10、 A+-31 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 5- J a n - 20 00 S he e t o f F i l e : F : g e 数电 电路图 s hu di a n. d db D r a w n B y :R10 KR2KR10 KR20 KR10 KR10 KA 2C 0.1u FD ZA 1V Z6VVO112345VVVVVVV ZZZZO1O2R1R2R1R2-tVO22.4三角形发生器 三角波发生器电路如图 5（ a）所示， 它由一个同相输入滞回比
11、较器（其传输特性请读者自己分析）和一个积分器构成。滞回比较器的输出作为积分器的输入，积分器的输出（即三角形发生器的输出）作为滞回比较器的输入。 （ a）三角波发生器电路图 ( b) 波形图 图 5 三角波发生器 设电源接通时， Z1O VV ，则 2OV 线性下降，当 2OV 下降到Z21 VRR时，运放A1输出翻转，变为 Z1O VV ；当 Z1O VV ，则 VO2线性增长，当 VO2增长到Z21VRR时，运放 A1再次输出翻转，变为 VO1 = VZ。这样反复不已，便可得到方波 VO1和三角波 VO2，波形图如 5（ b）所示。 三角波的峰值Z21m2O VRRV 周期 CRRR4T 2
12、1 2.5正弦 波信号发生器 图 6 所示电路是由运放构成的 RC 桥式振荡电路，它是由选频网络（为 RC串并联网络，它兼作正反馈网络）和同相输入比例放大器组成。 图 6 正弦波信号发生器 振荡频率为RC2 1ff 0 在频率 f0 下，正反馈网络的反馈系数31VVF 0f ，只有同相放大器的放大倍数 3RR1A 1f 时，才能满足振荡的振幅平衡条件 1AF ，因此应1f R2R 。为了使电路起振应使 AF 略大于 1，即应 Rf 略大于 2R1，这可由调节RP来实现。 电路中采用二极管来实现稳幅作用，由于起振时输出电压幅度较小，尚不足以使二极管导通，此时 1f R2R ，而后随着输出幅度增加
13、，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直至 1f R2R 时振荡稳定。二极管两端并联电阻 R2用于适当削弱二极管的非线性影响，以改善输出波形。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t leN u m be r R e v i s i onS i z eBD a t e : 1- F e b- 20 07 S he e t o f F i l e : E : 课程建设与改革 教材建设 电子技术指导书 模拟电路 . ddbD r a w n B y :R1 0 KC0 . 0 1 u FR1 0 KC0 . 0 1 u FR1 0 KR 4 7 KDDR1 0 K12PV O
14、12R fAVf3. 设计参考方案 3.1 整机结构框图 首 先 ， 利用文氏电桥振荡电路产生正弦波 信号 ，频率在 2Hz和 30Hz左右（通过按键快关切换），然后设置以及电压放大器，可以提高输出电压幅度和带负载能力； 其次，利用滞回比较器（施密特触发器）对正弦波信号整形得到同频率的方波信号；最后，利用积分电路对方波积分得到三角波信号。 图 7 整机框图 3.2 文氏电桥正弦波振荡电路： 1） R1（ R12） C4 和 R2(R13)C5 构成 RC 串并联选频网络，其谐振频率（及振荡频率）为： RC2 1ff0 ，约为 2Hz和 30Hz左右（通过按键快关切换），2Hz低频振荡是便于用
15、LED观察期闪烁，而 30Hz信号便于用示波器观察期波形； 2） U1A与 R6810构成增益为 3倍的同相比例放大器，其 R6可调节其增益，一般先将 R6调节到最大位置，在产生了正弦波震荡后，逐渐调小 R6 使之得到不失真的正弦波信号。 D24为限幅二极管。 3.3 同相比例放大器： U1B与 R911 构成增益为 2倍的同相比例放大器，可提高正弦波信号输出幅度和带负载能力； 3.4 滞回比较器： 1） R3、 D13为限幅电路，输出方波幅度在 2.5V左右； 2） U2A与 R57构成滞回比较器，翻 转电压在V7.05.2*4720 201 1 OMf VRR RV 左右。 3.5 积分电
16、路： 由 U2B和 R4C3构成，对前级输出的方波信号积分得到三角波信号输出。 4. 实验要求 1）撰写实验报告，内容包括：实验电路原理分析，设计过程，计算，安装调试过程，实验体会等； 2）绘制实验电路，并对电路仿真，将绘制的电路及仿真结果负载试验报告中； 3）制作 PCB电路板，安装调试，完成实作。 5. 参考电路见附图： 8143 21U1A NE5532AJG8475 62U1B NE5532AJG814321U2A NE5532AJG8 47562U2B NE5532AJG51KR12750KR1310KR1010KR851KR1750KR21KR91KR1120KR747KR52KR310KR40.1uFC5S1D2 D450KR60.1uFC41 2P4 Header 21 2P3 Header 2D1 LED1D3 LED11uFC31 2P2 Header 21 2 3 4P1 Header 422uF/25VC1 22uF/25VC2GND+12V-12V+12V+12V+12V+12V-12V-12V-12V-12VGND电子信息科学与技术教研室 175412345656784321567843212 12 11212122112321122112212121121243212 121211212122 12112
