低頻信號發(fā)生器的設計

摘 要：信號發(fā)生器廣泛應用于電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術(shù)領(lǐng)域。采用集成運放和分立元件相結(jié)合的方式，利用遲滯比較器電路產(chǎn)生方波信號，以及充分利用差分電路進行電路轉(zhuǎn)換，從而設計出一個能變換出三角波、正弦波、方波的簡易信號發(fā)生器。通過對電路分析，確定了元器件的參數(shù)，并利用Multisim軟件仿真電路的理想輸出結(jié)果，克服了設計低頻信號發(fā)生器電路方面存在的技術(shù)難題，使得設計的低頻信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單，實現(xiàn)方便。該設計可產(chǎn)生低于10 Hz的各波形輸出，并已應用于實驗操作。

關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器；方波信號；電路仿真；遲滯比較器

O 引 言
    信號發(fā)生器一般指能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波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(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。這里，采用分立元件設計出能夠產(chǎn)生3種常用實驗波形的信號發(fā)生器，并確定了各元件的參數(shù)，通過調(diào)整和模擬輸出，該電路可產(chǎn)生頻率低于10 Hz的3種信號輸出，具有原理簡單、結(jié)構(gòu)清晰、費用低廉的優(yōu)點。該電路已經(jīng)用于實際電路的實驗操作。

1 波形轉(zhuǎn)換原理
1．1 方波和三角波的產(chǎn)生
    方波一三角波一正弦波信號發(fā)生器電路由運算放大器電路及分立元件構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。它利用比較器產(chǎn)生方波輸出；方波通過積分產(chǎn)生三角波輸出。

1．2 利用差分放大電路實現(xiàn)三角波-正弦波的變換
    波形變換原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性，波形變換過程如圖2所示。由圖2可以看出，傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)域越窄越好；三角波的幅度Uim應正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。

2 電路設計及參數(shù)調(diào)整
    根據(jù)設計功能，電路的設計過程分為正弦波、方波、三角波3部分。
2．1 方波與三角波的產(chǎn)生及轉(zhuǎn)換電路
    圖3中U1構(gòu)成同相輸入遲滯比較器電路，用于產(chǎn)生輸出方波。運算放大器U2與電阻Rp2及電容構(gòu)成積分電路，用于將U1電路輸出的方波作為輸入，產(chǎn)生輸出三角波。

    方波部分與三角波部分的參數(shù)確定如下：
    根據(jù)性能指標可知，由可見，f與C成正比，若要得到l~10 Hz輸出，C=10μF；若要得到10～100 Hz輸出，C=1μF。此時，R4+Rp2=7．5～75 kΩ，若取R4=5．1 kΩ，則Rp2=2.4 kΩ或者Rp2=69．9 kΩ，因為Rp2=100 kΩ時，
    根據(jù)輸出的三角形幅值5 V和輸出的方波幅值14 V，若有：R2／(R3+Rp1)14=5→R2／(R3+Rp1)=5／14時，R2=10 kΩ，則有Rp1XXXXXX△47 kΩ，R3=20 kΩ。根據(jù)方波的上升時間為2 ms，可以選擇74141型號的運放。由此可得調(diào)整電阻為：

   
2．2 正弦波產(chǎn)生電路
    正弦波產(chǎn)生電路如圖4所示。由于選取差分放大電路對三角波一正弦波進行變換，選擇KSP2222A型的管，其靜態(tài)曲線圖像如圖5所示。

    根據(jù)KsP2222A的靜態(tài)特性曲線，選取靜態(tài)工作區(qū)的中心靜態(tài)電流和電壓分別為：

   
因為靜態(tài)工作點已經(jīng)確定，所以靜態(tài)電流變成已知。根據(jù)KVL方程可計算出鏡像電流源中各個電阻值的大?。?/p>

   
2．3 系統(tǒng)集成
    把各分電路集中在一塊電路板上，共用電源和接地端后，整個信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)變得緊湊美觀，集成電路圖如圖6所示。

3 模擬實驗結(jié)果及分析
3．1 模擬結(jié)果
    利用Multisim軟件畫出電路圖，在相應點接上示波器，模擬電路結(jié)果。
    改變Rp2的值，由2．4 kΩ變?yōu)?．6 kΩ的輸出結(jié)果對比如下。
3．2 結(jié)果分析
    (1)頻率范圍
    為便于測量，將電路圖上的方波信號接入示波器，并合上C1=10μF的開關(guān)，斷開C2=1μF的開關(guān)，然后調(diào)節(jié)Rp2并測出此時方波信號頻率的變化范圍；斷開C1的開關(guān)，合上C2的開關(guān)，按照同樣的方法調(diào)節(jié)Rp2，并記錄方波信號頻率的變化范圍，結(jié)果如表1所示。電路的三種輸出波形對比如圖7所示。

    (2)輸出電壓
    方波信號接入示波器，調(diào)節(jié)Rpl，得方波峰峰Vpp=14 V；撤除方波信號并接入三角波信號，調(diào)節(jié)Rp1，測得三角波峰峰值Upp=5 V；將正弦波信號接入示波器，調(diào)節(jié)Rp3和Rp4，測得正弦波峰峰值Upp=2．8 V。

4 結(jié) 語
    函數(shù)信號發(fā)生器的性能指標主要取決于元器件的選擇以及電路元器件參數(shù)的選擇。在電路中接入示波器將對電路的負載匹配產(chǎn)生一定的影響，進而影響波形輸出。該設計中采用MuItisim軟件對設計出的電路進行模擬，對結(jié)果進行了仿真，電路可產(chǎn)生低于10 Hz的三種信號波形，輸出電壓可以達到合理范圍，該電路已經(jīng)應用于實驗操作中。