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波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實(shí)驗(yàn)用信號(hào)源，是現(xiàn)在各種電子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以用分立元件組成，通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不以調(diào)試。也可以由晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300KHZ，無法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。還可利用單片集成芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試�？梢赃_(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)。目前，市場(chǎng)上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。在電子工程、通信工程、自動(dòng)化控制、遙測(cè)控制、測(cè)量?jī)x器、儀表和計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號(hào)波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)造成各種各樣信號(hào)波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的波形發(fā)生器與其他信號(hào)波形發(fā)生器比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。
2.2方案論證方案一：由555多諧振蕩器、積分電路、低通濾波器共同組成的方波—三角波—正弦波波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如圖2.2.1。首先由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波。 
圖2.2.1 方波、三角波、正弦波、信號(hào)發(fā)生器的原理框圖 方案二：由RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如圖2.2。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。 
圖2.2.2 正弦波、方波、三角波信號(hào)發(fā)生器的原理框圖 方案三：由比較器、積分器、差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如圖2.2.2。首先由比較器輸出的方波經(jīng)由積分器后輸出三角波；三角波經(jīng)由差分放大器變換正弦波輸出。 
圖2.2.3 方波、正弦波、三角波信號(hào)發(fā)生器的原理框圖 2.3.1分析與比較：方案一：電路結(jié)構(gòu)、思路簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計(jì)要求，且成本低廉、調(diào)整方便，但輸出將造成負(fù)載的輸出正弦波波形變形，因?yàn)樨?fù)載的變動(dòng)將拉動(dòng)波形的崎變。 方案二：電路具有良好的正弦波和方波信號(hào)。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號(hào)，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)不變，而隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。若要保持三角波幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。三角波的缺陷，難處理，且波形質(zhì)量不理想。 方案三：差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等有點(diǎn)。尤其作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)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傳輸特性曲線的非線性。 綜上所述，選擇方案三。 2.3.2設(shè)計(jì)要求根據(jù)課題要求，設(shè)計(jì)制作一個(gè)可以發(fā)射三角波，正弦波，矩陣方波的波形信號(hào)發(fā)射器。波形信號(hào)發(fā)射器可實(shí)現(xiàn)三種波形的發(fā)射，轉(zhuǎn)換，具體要求如下： (1)信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波三種周期性波形； (2)輸出波形頻率在0.2Hz～20kHz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)； (3)正弦波幅度為+2V和-2V。 (4)方波幅值為2V。 (5)三角波峰-峰值為2V，占空比可調(diào)。 (6)輸出信號(hào)波形無明顯失。 2.3.3系統(tǒng)組成由比較器輸出的方波經(jīng)由積分器后輸出三角波；三角波經(jīng)由差分放大器變換正弦波輸出。波形發(fā)生器設(shè)計(jì)系統(tǒng)的原理框圖如圖2.3.2： 
圖2.3.3 波形發(fā)生器設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理框圖 2.3.4電路總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)是經(jīng)過比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)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傳輸特性曲線的非線性。 波形發(fā)生器系統(tǒng)原理圖如圖2.3.4所示： 
圖2.3.4波形發(fā)生器系統(tǒng)完整電路圖 2.4系統(tǒng)電路仿真與安裝2.4.1電路仿真2.4.2方波-三角波電路仿真在電容 處介入一個(gè)一刀擲選擇開關(guān)，可分別選擇接入10uF、1uF、0.1uF的電容，以實(shí)現(xiàn)將信號(hào)頻率分為3檔： ； ； 。例如，選擇檔，將示波器的A、B通道分別與電路中的測(cè)試端口 與 鏈接，啟動(dòng)仿真開關(guān)，即可得到如圖5.1所示的輸出波形。 在進(jìn)行單元電路設(shè)計(jì)、分析時(shí)已知，方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓+ ，三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓，調(diào)整電位器 可實(shí)輸出方波-三角波幅度的微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率；調(diào)整電位器 可實(shí)現(xiàn)輸出方波-三角波頻率的微調(diào)，但不會(huì)影響輸出和波形的幅度；若要在較寬的頻率范圍內(nèi)調(diào)整輸出方波-三角波的頻率，則可調(diào)整接入電容的大小。 在量程選擇開關(guān)（大�。┎蛔兊那闆r下，分別將 、從50%調(diào)整為80%，可得到不同周期（頻率）和幅度的方波-三角波波形 
改變選擇開關(guān)K，接入不同的電容量值，以調(diào)整頻率的測(cè)量量程。如要使數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確可調(diào)整電位器、的量值。圖2.4.2方波-三角波電路輸出波形 2.4.3三角波-正弦波電路仿真測(cè)試三角波-正弦波電路時(shí)應(yīng)注意按以下步驟進(jìn)行。 (1)斷開 ，經(jīng) 由信號(hào)源輸入50mV/100Hz的三角波（差模信號(hào)）。調(diào)節(jié)與 ，是傳輸曲線對(duì)稱。逐漸怎打差模輸入電壓，直至傳輸特性曲線形狀如圖5.2所示，記下此事后對(duì)應(yīng)的差模電壓值，即為最大值。移去信號(hào)源，將左端接地，測(cè)量差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn) ， 、 、 、 。 (2)將與鏈接，調(diào)節(jié)使三角波的輸出幅度為最大值，這時(shí) 的傳輸波形應(yīng)接近正弦波。調(diào)節(jié) 大小可改善輸出波形。若 的波形出現(xiàn)失真，則應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生失真的原因及可采取的措施有： ①若出現(xiàn)鐘形失真，可能是傳輸和特性曲線的線性區(qū)太寬所致，應(yīng)減小 ； ②若出現(xiàn)圓頂或平頂失真，可能是傳輸特性曲線的對(duì)稱性較差、工作點(diǎn)Q偏上或偏下所致，應(yīng)調(diào)整電阻。 啟動(dòng)仿真開關(guān)，即可得到如圖5.3所示的三角波-正弦波輸出波形。 圖2.4.3三角波-正弦波變換的傳輸特性曲線 圖2.4.3三角波-正弦波電路輸出波形 仿真是對(duì)電路可行性的理論分析，是檢驗(yàn)電路正確性的輔助手段。設(shè)計(jì)時(shí)按照理論計(jì)算選取的電路參數(shù)，帶入進(jìn)行仿真后，基本得到設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，即方波幅值為±2v，三角波峰－峰值為2v，正弦波幅值為±2v。 2.5系統(tǒng)電路的安裝與調(diào)試
2.5.1系統(tǒng)電路的安裝1.將LM324裝上電路板，設(shè)計(jì)并排版，使各元件易于焊接且美觀； 2.分別把各電阻及電容放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器和穩(wěn)壓管的接法，由于本電路用到了三個(gè)LM324，所以應(yīng)明確各管腳的接線位置，并將電阻電容等焊在易于連線的位置，避免短路、少焊、虛焊等問題，也使電路易于檢查； 3.按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。 2.5.2系統(tǒng)電路的調(diào)試 將LM324的4腳和11腳分別接正負(fù)電壓，接上示波器觀察波形。首先分別調(diào)試各電路，在調(diào)試方波發(fā)生電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)雖然有波形產(chǎn)生，但幅值偏小，達(dá)不到要求，多次檢查后發(fā)現(xiàn)，LM324所接的是 5V電壓，當(dāng)調(diào)整至 15V電壓后，幅值增大，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。之后調(diào)試三角波發(fā)生電路，發(fā)現(xiàn)也是幅值達(dá)不到要求，并且波形部分失真，又進(jìn)行了仿真，并在電路板上插線連接模擬了真實(shí)電路，改變了電路參數(shù)，之后達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。最后調(diào)試正弦波發(fā)生電路，起初沒有波形產(chǎn)生，后將萬用表打至蜂鳴檔檢查電路各連接點(diǎn)是否短路和電路焊接是否正確，找到了問題，發(fā)現(xiàn)有一處出現(xiàn)了少焊，重新焊接后，有波形產(chǎn)生，但發(fā)生了嚴(yán)重失真，于是又進(jìn)行仿真，再次用電路板插線連接模擬真是電路，改變電路參數(shù)，使波形達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是頻率范圍比較窄，改變了圖中某些元件的參數(shù)（變換了電容）后，重新調(diào)試，基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 各波幅值達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，又對(duì)參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，使其頻率在0.02Hz～20KHz且連續(xù)可調(diào)。 | 
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