函数信号发生器的设计与仿真
时间：2022-04-17 11:45:00 浏览次数：次
摘 要：针对经济欠发达的西部地区学校经费不足的特点，利用集成运算放大器LM301，设计出能产生正弦、三角、方波、梯形、锯齿波和尖顶波等多种波形的函数信号发生器，且通过仿真很好地得到了各种波形。该函数信号发生器能满足一般的实验及演示的需要，并且成本很低，操作简洁方便，具有一定的参考价值。
关键词：集成运算放大器;三角波;正弦波;方波;函数信号发生器
中图分类号：TN710 文献标识码：B
文章编号：1004-373X(2008)09-091-03
Design and Simulation of Function Signal Generator
SHI Yujun,LIU Zhenlai
(Hexi University,Zhangye,734000,China)
Abstract：Aiming at characteristics of economic shortage in western,LM301 integrated operational amplifier circuit design is developed which can produce sine,triangular,square,trapezoidal,sawtooth waveform and other steeple wave of function signal generator.It can satisfy the needs of the experiments and demonstration by simulating,and the cost is low,operation succinct convenient.
Keywords：integrated operational amplifier;triangular wave;sine wave;square wave;function signal generator
1 引 言
信号发生器是实验室的基本设备之一，目前广泛使用的是一些标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，而且许多功能用不上。该设计以集成运算放大器为应用核心，通过添加外围器件使之形成运算、正反馈电路，并满足振荡条件，产生一定的波形，最后利用差分电路的传输特性将方波转换为正弦波。该仪器具有结构简单、成本低、体积小、便于携带等特点，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但足以满足一般的实验要求。该波形发生器有以下一些功能:
(1) 在给定的±12 V直流电源电压条件下，使用运算放大器设计并制作一个函数信号发生器。
(2) 具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。
(3) 输出波形的频率范围1～10 kHz重复频率可调，频率步进间隔≤50 Hz。
(4) 输出波形幅度范围：方波：Vp-p≤24 V ， 三角波：Vp-p≤6 V ， 正弦波：Vp-p>1 V
方波上升和下降时间≤10 ms，三角波失真度≤2%，正弦波失真度≤5%，同时，可按一定的步进≤02 V(峰-峰值)调整。
(5) 具有信号大衰减功能，可以把输出电压衰减01，001倍。
(6) 利用占空比可调节，可产生一些其他的波形,如锯齿波和尖顶波。
2 设计方案
2.1 直流稳压电源的设计
采用集成稳压器设计的稳压电源具有性能稳定、结构简单等优点,不再赘述。
2.2 信号产生电路方框图
本设计思想是先由积分器和比较器同时产生三角波和方波，其中比较器起开关的作用，将具有正、负极性的电位交替地反馈到积分器，通过积分得到三角波。
图1 信号产生电路方框图
经过分析，本电路的优点有：
(1) 线性良好、稳定性好。
(2) 频率易调。在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变。
(3) 三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。
同时差分放大电路具有工作点稳定、输入阻抗高，抗干扰能力强的特点。利用差分放大器的差模传输特性曲线具有非线性，来进行电路波形的变换。
3 整机电路设计和分析计算
3.1 三角波-方波产生电路
电路如图2所示，由三个集成运算放大器组成。其中核心部分是由A1组成积分电路和由A3组成的电压比较、限幅器，A2实现限幅、反相等功能运算。同时A2和A3组成正反馈电路，用R1作反馈通路。稳定时，A3的输出电压只能是正电平U+和负电平U－ 。假设在初始状态时，A3输出为正电平U+。其中一部分信号反馈到A2的反相输入端。另一部分通过RP1反馈到A1的反相输入端，其值的大小由R8与R13的分压比决定。该信号电压被积分器反相积分，使A1的输出电压uo1以时间常数RP1C2下降，并通过R2加在A2的反相输入端，流过R1的反馈电流U+/R1(设为I1),流过电阻R2的电流为uo1/R2 (设为I2)，当正反馈电流I1与电流I2相等时，A2反相输入端的电压为零。由于开关二极管的作用，A2开始从-07 V跳变到+07 V，从而迫使A3的输出随之翻转，使uo3从U+跳变到U－，与此同时，A1反相输入端的电压也随之翻转跳变到负电平U－，A1对电压U－进行反向积分，使得uo1按着同样的时间常数RP1及C2上升，电流I2与I1反向。I2 = uo1/R2逐渐增加，当正反馈电流I1与I2相等时，uo2再次跳变，从+07 V跳变到-07 V，迫使Uo3再次翻转，从U+跳变到U－，这就完成了一个振荡周期，如此周而复始的循环。在A1地输出端产生三角波uo1，在A3的输出端产生方波uo3。
图2 三角波-方波产生电路图
3.2 三角波-正弦波变换电路
电路如图3所示，主要采用镜像电流源作为有源负载。图中Q1,Q2为PNP型镜像电流源作为Q3,Q4的有源负载。如前所述，电路利用了差放的转移特性，将三角波近似逼近为正弦波。
在差模输入电压作用下，Q3,Q4分别输出数值相等、极性相反的增量电流，即ic1=ICQ+ic,ic2=ICQ－ic，其中ic1通过Q1管时，他将等值的转换到Q2管。因此，输出电流io=iC2－iC4=iC1－iC4iC3－iC4=2iC，这就是说，他的值近似等于近双端输出时的差模输出电流。
在共模输入电压作用下，Q3,Q4分别输出数值相等、极性相同的增量电流，即ic1=ICQ+ic,ic2=ICQ－ic，其中ic1通过Q1管时，他将等值的转换到Q2管。因此，输出电流io=iC2－iC4=iC1－iC4=iC3－iC4=0，也就是说，与双端输出时的差模输出电流为零是一致的。
3.3 接口电路
通过上述电路的分析和设计，已经产生出了三种规定的函数波形，但为了满足应用上的要求，还需输入电压可调，并具备一定的驱动能力。这些要求必须要有一个接口电路来实现和完成。
考虑到音频信号的输出阻抗常用600 Ω，而带有反馈的运算放大器的输出阻抗几乎为零，那么必须在输出处加一600Ω的电阻使输出阻抗变为600Ω，这样且即使发生误操作使输出短路，该电阻也能起到过流保护的作用。
在对输出进行幅值调节时，输出电压变小，运放的偏移电压的影响会很大。为了使信号有很大衰减，我们又设计了-20 dB和-40 dB的衰减器，可以把输出电压衰减01,001倍。在信号衰减的同时偏移电压也同样被衰减，这样就防止了偏移影响的作用。具体电路如图4所示。
图3 三角波-正弦波转换电路图
图4 接口输出衰减电路
4 整机电路图的设计说明
差分放大电路的失调漂移往往是随时间、温度、电源电压等外界因素的变化而变化的，由于这种失调漂移是随机的，所以，任何调零装置是不可能跟踪的。为解决此类问题，我们利用调零电路给予补偿，通过这种补偿，使之达到零输入时零输出的要求。具体是通过调节RP6来调节差分放大电路。该电路主要由LM301集成运算放大器构成，这款运放具有较高的速度，价格虽略高，但是性能优越。
A6构成闭环负反馈运算放大器，对输出具有稳压性。晶体管Q5,Q6构成电流缓冲放大器，使输出阻抗得以扩展，从而保证输出的通用性。二极管D5，D6是为消除Q5,Q6的交越失真而设置的。整机电路图见图5。
图5 整机电路图
5 电路的EDA仿真分析
以下各参数的测量均在Protel 99SE的仿真支持下完成的。
5.1 输出瞬态分析
通过在RP1和C2的数值范围内对其调节可以得到频率覆盖1～10 kHz的各输出波形。下面是其中的某个频率的瞬态分析结果：
图6 三角波-方波-正弦波输出图
通过测试的数据证明，该电路已远远超过了设计所要求的各项性能指标，而且其三角波、方波的表现又颇为突出，通过改变三角波积分电容和电阻的方法，还可以将频率覆盖进一步扩展至10 Hz～100 kHz左右。
5.2 温度扫描分析
图10~图12是在RL=600 Ω,0 dB输出、-15 ℃～+65 ℃步长为20 ℃的温度扫描图。
图12 方波-15℃～+65℃温度扫描图
由以上各图可以看出，波形除了时间上存在延迟外并无畸变。电路在该温度范围内是正常工作的。
6 结 语
该电路利用集成运算放大器构成的正反馈电路产生了三角波、方波以及最后利用差分电路的传输特性将方波
转换成了正弦波，但可以看出正弦波在达到幅值时存在一定的失真，这是本电路的不足之处。在一些正弦波形要求不是绝对严格的场合，本电路是十分经济实用的选择。
参 考 文 献
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注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。