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主要内容：
设计能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号的信号发生器。
基本要求：
1.在给定的±12V直流电源电压条件下，使用运算放大器设计一个函数信号发生器。
2.信号频率：1kHz～10kHz。
3.采用Multisim软件进行仿真，验证和完善设计方案；
第一章：概述
1.1引言
本文以模拟信号发生器电路设计和仿真为例，通过理论分析和仿真软件相结合模式进行初步设计，减少理论分析和实际安装调试迭代过程，也为学生提供电路参数对电路性能影响的直观、感性认识，为学生将来进行复杂电路系统打下坚实的基础[1]。在模拟电子技术课程的学习中,会涉及到正弦波、方波、三角波、锯齿波等多种波形及其发生电路,这类波形及其发生电路作为常用的信号源,在生产、科研及教学实验中都具有广泛的应用[2]。
在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速地选用不同特征的信号源，就成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后人们用其它仪表测量感兴趣的参数。信号源在各种实验应用和实验测试处理中，不是测量仪器，而是根据使用者的需求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。
函数信号发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小、输出稳定、可靠性高，特别是操作简单方便。
本实验由两个电路组成，分别是“方波——三角波发生电路”，“方波发生电路”和“方波——正弦波发生电路”。方波发生电路由运算放大器产生方波，三角波通过在方波电压加在积分运算电路的输入端，正弦波发生电路：RC桥氏正弦波振荡电路。它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力、物力资源，具有实际的应用价值。
1.2电路对安全、健康、环境等因素的影响
电路对环境的影响主要有电磁污染、无线电干扰、电压高次谐波、电流高次谐波、空气污染、噪声污染、事故及检修对环境的污 染、及腐蚀污染等。污染源源强计算是建设项目环境影响评价中的重要内容[3]，直接决定了污染物达标分析和环境影响预测的可信性。
电路会造成电磁辐射，过量的电磁辐射就会造成电磁污染，电磁污染所造成的危害是不容低估的。由于广播、电视、微波技术的发展，射频设备功率成倍增加，地面上的电磁辐射大幅度增加，已达到直接威胁人体健康的程度。但本文设计的函数信号发生器电路具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小等优点，因此获得广泛应用。产生噪声的频率小，电磁辐射及其微弱，不会对人体产生危害。
噪声对人体的危害是全身性的，既可以引起听觉系统的变化，也可以对非听觉系统产生影响。这些影响的早期主要是生理性改变，长期接触比较强烈的噪声，可以引起病理性改变。此外，作业场所中的噪声还可以干扰语言交流，影响工作效率，甚至引起意外事故。本文设计的函数信号发生器电路是采用模拟电子技术，不存在噪声污染的问题。
第2章 总体设计方案
2.1 系统设计方案
本设计采用运算放大器与积分器组成的RC桥式方波——正弦波振荡电路，以及积分电路组成的方波——三角波发生电路，可产生方波、正弦波和三角波。将各模块组合起来就是一个简易的函数信号发生器。
2.2 系统设计框图
图2-1 函数信号发生器原理框图
框图各部分功能如下：
1. 12V直流电源：提供电压，基准电压的精度和稳定性是影响转换精度的主要因素。
2. 示波器：示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。[4]利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。
3. 方波发生电路：方波发生电路是其他非正弦波发生电路的基础。
4. 三角波发生电路：在方波电压加在积分运算电路的输入端。
5. 正弦波发生电路：RC桥氏正弦波振荡电路。
6. 频率选择控制：通过调节电路内部分可变电阻阻值大小来实现。
2.3 本章小结
本章阐述了函数信号发生器的系统设计方案，给出了系统设计框图，并对各部分功能进行了介绍。
第3章 函数信号发生器电路设计
3.1 总电路的设计
函数信号发生器的总电路设计如图3-1所示。
图3-1函数信号发生器总电路
3.2 方波发生电路
因为矩形波发生电压只有两种状态，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，就是要求输出的两种状态自动地互相转换，所以电路的输出必须通过一定的方式引回到他的输入，以控制输出状态的转换；所以输出状态应按一定的时间讲个交替变换，即应产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。本次实验我们将电压比较器更换为运算放大器。
方波发生电路如图3-2所示。
图3-2 方波发生电路
3.2.1方波发生电路调节频率
根据公式：
（3-1）
（3-2）
通过调整运算放大器的电路参数R1和R2可以改变uC的幅值，调整电阻R1,R2,R3和电容C的数值可以改变电路的震荡频率。而要调整输出电压u0的振幅，则要换稳压管以改变uZ，此时uC的赋值也将随之变化。
3.2.2电路元件的选取
LM358AD运算放大器功能说明：
内部包含两个单独的运算放大器单元，分别称为A1和A2。这两个单元具有完全相同的特性，可以单独工作，也可以级联使用。LM358采用单电源供电，供电电压范围宽，适用于各种低频信号处理电路。
运算放大器（简称“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。由于早期应用于模拟计算机中用以实现数学运算，因而得名“运算放大器”[5]。
由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，大部分的运放是以单芯片的形式存在。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中[6]。
稳压二极管功能说明：
直到临界反向击穿电压前都具有很高电阻的半导体器件.在这临界击穿点上,反向电阻降低到一个很少的数值,在这个低阻区中电流增加而电压则保持恒定,稳压二极管是根据击穿电压来分档的,因为这种特性,主要被作为稳压器或电压基准元件使用.简言之，就是工作在击穿区时，电阻降低，但电压能稳定在一定的值。
3.3 正弦波发生电路
运用RC桥式正弦波振荡电路，只要为RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3（即输出电压与输入电压通相，且放大倍数的数值为3）的放大电路就可以构成正弦波振荡电路，实际上选用的放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻，以减小放大电路对选频特性的影响使振荡频率几乎仅仅决定于选频网络。因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路，如同相比例运算电路[7]。正弦波发生电路如图3-3。
图3-3 正弦波发生电路
3.3.1正弦波发生电路调节频率
根据公式：
（3-3）
其中R为R11和R10两个阻值为1.5kΩ的可变电阻，C为电容C3和C4，通过改变R11和R10来控制频率。
3.3.2电路元件的选取
1N4148的功能：
1N4148是一种小型的高速开关二极管，开关比较迅速，广泛用于信号频率较高的电路进行单向导通隔离通讯、电脑板、电视机电路及工业控制电路[8]。1N4148二极管的工作原理类似于信号二极管，允许电流在单一方向上流动，即从阳极到阴极。根据跨电压源的连接方式，1N4148二极管有两种工作模式：正向偏置和反向偏置。正向电压施施加在二极管上时，PN结处于导通状态，允许电流流过；而反向电压施加在二极管上时，PN结处于截止状态，阻止电流流过。
3.4三角波发生电路
在方波发生电路中，当运算放大器的阈值数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。实际上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如图3-4。
图3-4 三角波原理图
3.4.1三角波发生电路调节频率
根据公式：
（3-4）
（3-5）
（3-6）
Uo2为输出的三角波信号，根据公式，调节可变电阻R7即可改变输出三角波信号的幅值，据周期公式可知输出的三角波信号频率在电路中主要由可变电阻R6,R7控制。
3.4.2电路元件的选取
02DZ4.7的功能：
稳压二极管的伏安特性曲线的正向特性和普通二极管差不多，反向特性是在反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，反向漏电流极小。但是，当反向电压临近反向电压的临界值时，反向电流骤然增大，称为击穿，在这一临界击穿点上，反向电阻骤然降至很小值。尽管电流在很大的范围内变化，而二极管两端的电压却基本上稳定在击穿电压附近，从而实现了二极管的稳压功能[9]。
3.5 本章小结
本章对函数信号发生器电路进行了设计，并介绍了方波发生电路、正弦波发生电路和三角波发生电路的原理图和如何调频，以及各个电路的元件的工作原理。
第4章 电路的仿真及分析
4.1 Multisim仿真及分析
本文利用Multism14.0仿真软件对设计的数字电压表进行了电路仿真及分析。我们使用了元件库中的示波器以及LM358AD、02DZ4.7、和1N4148等元件，通过连接电路进行仿真。
Multisim14.0是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于模拟数字电路的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[10]。
输入12V总体电路仿真图如图4-1所示，从该图可以看到整体的电路结构以及实时输出状态，由该图可以看能够达到对该状态输入电压的测量。
图4-1总体电路仿真图
图4-2 方波仿真图
图4-3 正弦波仿真
图4-4 三角波仿真
由以上仿真，可基本得出结论，该设计当输入电压在12V内可调整信号频率在1kHz～10kHz函数信号发生器的功能。
4.2 本章小结
本章利用Multisim软件对函数信号发生器进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。
结 论
本文设计了函数信号发生器。电路主要使用运算放大器LM358AD和741进行设计。在正弦波发生电路中，使用了RC串并联选频网络加放大电路构成的正弦波振荡电路，RC串并联选频网络通过改变可变电阻的阻值，实现对特定频率信号的选频功能，为了优化波形质量，设计中还融入了非线性环节，通过该环节对信号进行微调，以减少波形失真，确保输出波形的稳定性。方波发生电路中使用了RC回路作为延迟环节，并通过其充放电实状态输出的自动转换，三角波发生电路在方波发生电路的基础上添加了RC积分运算电路，利用积分电路对输入方波进行积分处理，实现了方波到三角波的转换。积分电路通过累积输入信号的电荷，产生随时间线性变化的电压输出，从而形成了三角波。
关于波形的频率调整，本设计采用了修改电路中元件参数的方法。通过改变电阻元件的数值，可以调整电路的振荡频率，进而实现对输出波形频率的控制，基本达到设计要求。
参考文献
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- 陈根龙,刘浩.基于Multisim的模拟信号发生器的设计[J].微型电脑应用,2023,39(07):17-20+28.
- 石翔.典型集成电路制造建设项目环境影响评价中工艺废气源强计算[J].绿色建筑,2020,12(06):51-54
- 模拟示波器与数字示波器的区别 ．中国测量工具网
- 王滦平著．电路基础与产品制作．西北工业大学出版社．2016.08．第71页
- 陈书旺，安胜彪，武瑞红主编．实用电子电路设计及应用实例．北京邮电大学出版社．2014.11．第45页
- 模拟电子技术基础（第五版）．高等教育出版社产品信息检索系统
- 开关二极管1N4148 ST/先科 高频小信号 1N4148二极管 高品质 玻封．阿里巴巴．2013-11-03
- 阎金铎,姜璐,崔华林．《中国中学教学百科全书》．沈阳出版社．1990
- 贺凌强,朱晓峰,谢富珍.简易函数发生器设计及Multisim14.0仿真[J].装备维修技术,2019(04):87+108.DOI:10.16648/j.cnki.1005-2917.2019.04.075..
附 录 元器件清单
|
元器件名称 |
参数 |
数量 |
|
示波器 |
XSC1 |
3 |
|
运算放大器 |
LM358AD |
4 |
|
开关二极管 |
1N4148 |
2 |
|
稳压二极管 |
02DZ4.7 |
4 |
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