摘 要：針對(duì)經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)的西部地區(qū)學(xué)校經(jīng)費(fèi)不足的特點(diǎn)，利用集成運(yùn)算放大器LM301，設(shè)計(jì)出能產(chǎn)生正弦、三角、方波、梯形、鋸齒波和尖頂波等多種波形的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，且通過(guò)仿真很好地得到了各種波形。該函數(shù)信號(hào)發(fā)生器能滿足一般的實(shí)驗(yàn)及演示的需要，并且成本很低，操作簡(jiǎn)潔方便，具有一定的參考價(jià)值。

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關(guān)鍵詞：集成運(yùn)算放大器;三角波;正弦波;方波;函數(shù)信號(hào)發(fā)生器

中圖分類號(hào)：TN710 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)09-091-03

Design and Simulation of Function Signal Generator

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SHI Yujun，LIU Zhenlai

(Hexi University，Zhangye，734000，China)

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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.

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Keywords：integrated operational amplifier;triangular wave;sine wave;square wave;function signal generator

1 引 言

信號(hào)發(fā)生器是實(shí)驗(yàn)室的基本設(shè)備之一，目前廣泛使用的是一些標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標(biāo)較高，但是價(jià)格較貴，而且許多功能用不上。該設(shè)計(jì)以集成運(yùn)算放大器為應(yīng)用核心，通過(guò)添加外圍器件使之形成運(yùn)算、正反饋電路，并滿足振蕩條件，產(chǎn)生一定的波形，最后利用差分電路的傳輸特性將方波轉(zhuǎn)換為正弦波。該儀器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小、便于攜帶等特點(diǎn)，雖然功能及性能指標(biāo)趕不上標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，但足以滿足一般的實(shí)驗(yàn)要求。該波形發(fā)生器有以下一些功能:

(1) 在給定的±12 V直流電源電壓條件下，使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)并制作一個(gè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。

(2) 具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形的功能。

(3) 輸出波形的頻率范圍1～10 kHz重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔≤50 Hz。

(4) 輸出波形幅度范圍：方波：Vp-p≤24 V ， 三角波：Vp-p≤6 V ， 正弦波：Vp-p>1 V

方波上升和下降時(shí)間≤10 ms，三角波失真度≤2%，正弦波失真度≤5%，同時(shí)，可按一定的步進(jìn)≤02 V(峰-峰值)調(diào)整。

(5) 具有信號(hào)大衰減功能，可以把輸出電壓衰減01，001倍。

(6) 利用占空比可調(diào)節(jié)，可產(chǎn)生一些其他的波形，如鋸齒波和尖頂波。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)

采用集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的穩(wěn)壓電源具有性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，不再贅述。 

2.2 信號(hào)產(chǎn)生電路方框圖

本設(shè)計(jì)思想是先由積分器和比較器同時(shí)產(chǎn)生三角波和方波，其中比較器起開(kāi)關(guān)的作用，將具有正、負(fù)極性的電位交替地反饋到積分器，通過(guò)積分得到三角波。

圖1 信號(hào)產(chǎn)生電路方框圖

經(jīng)過(guò)分析，本電路的優(yōu)點(diǎn)有：

(1) 線性良好、穩(wěn)定性好。

(2) 頻率易調(diào)。在幾個(gè)數(shù)量級(jí)的頻帶范圍內(nèi)，可以方便地連續(xù)地改變頻率，而且頻率改變時(shí)，幅度恒定不變。

(3) 三角波和方波在半周期內(nèi)是時(shí)間的線性函數(shù)，易于變換其他波形。

同時(shí)差分放大電路具有工作點(diǎn)穩(wěn)定、輸入阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。利用差分放大器的差模傳輸特性曲線具有非線性，來(lái)進(jìn)行電路波形的變換。

3 整機(jī)電路設(shè)計(jì)和分析計(jì)算

3.1 三角波-方波產(chǎn)生電路

電路如圖2所示，由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成。其中核心部分是由A1組成積分電路和由A3組成的電壓比較、限幅器，A2實(shí)現(xiàn)限幅、反相等功能運(yùn)算。同時(shí)A2和A3組成正反饋電路，用R1作反饋通路。穩(wěn)定時(shí)，A3的輸出電壓只能是正電平U+和負(fù)電平U－ 。假設(shè)在初始狀態(tài)時(shí)，A3輸出為正電平U+。其中一部分信號(hào)反饋到A2的反相輸入端。另一部分通過(guò)RP1反饋到A1的反相輸入端，其值的大小由R8與R13的分壓比決定。該信號(hào)電壓被積分器反相積分，使A1的輸出電壓uo1以時(shí)間常數(shù)RP1C2下降，并通過(guò)R2加在A2的反相輸入端，流過(guò)R1的反饋電流U+/R1(設(shè)為I1)，流過(guò)電阻R2的電流為uo1/R2 (設(shè)為I2)，當(dāng)正反饋電流I1與電流I2相等時(shí)，A2反相輸入端的電壓為零。由于開(kāi)關(guān)二極管的作用，A2開(kāi)始從-07 V跳變到+07 V，從而迫使A3的輸出隨之翻轉(zhuǎn)，使uo3從U+跳變到U－，與此同時(shí)，A1反相輸入端的電壓也隨之翻轉(zhuǎn)跳變到負(fù)電平U－，A1對(duì)電壓U－進(jìn)行反向積分，使得uo1按著同樣的時(shí)間常數(shù)RP1及C2上升，電流I2與I1反向。I2  = uo1/R2逐漸增加，當(dāng)正反饋電流I1與I2相等時(shí)，uo2再次跳變，從+07 V跳變到-07 V，迫使Uo3再次翻轉(zhuǎn)，從U+跳變到U－，這就完成了一個(gè)振蕩周期，如此周而復(fù)始的循環(huán)。在A1地輸出端產(chǎn)生三角波uo1，在A3的輸出端產(chǎn)生方波uo3。 

圖2 三角波-方波產(chǎn)生電路圖

3.2 三角波-正弦波變換電路

電路如圖3所示，主要采用鏡像電流源作為有源負(fù)載。圖中Q1，Q2為PNP型鏡像電流源作為Q3，Q4的有源負(fù)載。如前所述，電路利用了差放的轉(zhuǎn)移特性，將三角波近似逼近為正弦波。

在差模輸入電壓作用下，Q3，Q4分別輸出數(shù)值相等、極性相反的增量電流，即ic1=ICQ+ic，ic2=ICQ－ic，其中ic1通過(guò)Q1管時(shí)，他將等值的轉(zhuǎn)換到Q2管。因此，輸出電流io=iC2－iC4=iC1－iC4iC3－iC4=2iC，這就是說(shuō)，他的值近似等于近雙端輸出時(shí)的差模輸出電流。

在共模輸入電壓作用下，Q3，Q4分別輸出數(shù)值相等、極性相同的增量電流，即ic1=ICQ+ic，ic2=ICQ－ic，其中ic1通過(guò)Q1管時(shí)，他將等值的轉(zhuǎn)換到Q2管。因此，輸出電流io=iC2－iC4=iC1－iC4=iC3－iC4=0，也就是說(shuō)，與雙端輸出時(shí)的差模輸出電流為零是一致的。

3.3 接口電路

通過(guò)上述電路的分析和設(shè)計(jì)，已經(jīng)產(chǎn)生出了三種規(guī)定的函數(shù)波形，但為了滿足應(yīng)用上的要求，還需輸入電壓可調(diào)，并具備一定的驅(qū)動(dòng)能力。這些要求必須要有一個(gè)接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)和完成。

考慮到音頻信號(hào)的輸出阻抗常用600 Ω，而帶有反饋的運(yùn)算放大器的輸出阻抗幾乎為零，那么必須在輸出處加一600Ω的電阻使輸出阻抗變?yōu)?00Ω，這樣且即使發(fā)生誤操作使輸出短路，該電阻也能起到過(guò)流保護(hù)的作用。

在對(duì)輸出進(jìn)行幅值調(diào)節(jié)時(shí)，輸出電壓變小，運(yùn)放的偏移電壓的影響會(huì)很大。為了使信號(hào)有很大衰減，我們又設(shè)計(jì)了-20 dB和-40 dB的衰減器，可以把輸出電壓衰減01，001倍。在信號(hào)衰減的同時(shí)偏移電壓也同樣被衰減，這樣就防止了偏移影響的作用。具體電路如圖4所示。

圖3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路圖

圖4 接口輸出衰減電路

4 整機(jī)電路圖的設(shè)計(jì)說(shuō)明

差分放大電路的失調(diào)漂移往往是隨時(shí)間、溫度、電源電壓等外界因素的變化而變化的，由于這種失調(diào)漂移是隨機(jī)的，所以，任何調(diào)零裝置是不可能跟蹤的。為解決此類問(wèn)題，我們利用調(diào)零電路給予補(bǔ)償，通過(guò)這種補(bǔ)償，使之達(dá)到零輸入時(shí)零輸出的要求。具體是通過(guò)調(diào)節(jié)RP6來(lái)調(diào)節(jié)差分放大電路。該電路主要由LM301集成運(yùn)算放大器構(gòu)成，這款運(yùn)放具有較高的速度，價(jià)格雖略高，但是性能優(yōu)越。

A6構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋運(yùn)算放大器，對(duì)輸出具有穩(wěn)壓性。晶體管Q5，Q6構(gòu)成電流緩沖放大器，使輸出阻抗得以擴(kuò)展，從而保證輸出的通用性。二極管D5，D6是為消除Q5，Q6的交越失真而設(shè)置的。整機(jī)電路圖見(jiàn)圖5。

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圖5 整機(jī)電路圖

5 電路的EDA仿真分析

以下各參數(shù)的測(cè)量均在Protel 99SE的仿真支持下完成的。

5.1 輸出瞬態(tài)分析

通過(guò)在RP1和C2的數(shù)值范圍內(nèi)對(duì)其調(diào)節(jié)可以得到頻率覆蓋1～10 kHz的各輸出波形。下面是其中的某個(gè)頻率的瞬態(tài)分析結(jié)果：

圖6 三角波-方波-正弦波輸出圖

通過(guò)測(cè)試的數(shù)據(jù)證明，該電路已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)，而且其三角波、方波的表現(xiàn)又頗為突出，通過(guò)改變?nèi)遣ǚe分電容和電阻的方法，還可以將頻率覆蓋進(jìn)一步擴(kuò)展至10 Hz～100 kHz左右。

5.2 溫度掃描分析

圖10~圖12是在RL=600 Ω，0 dB輸出、-15 ℃～+65 ℃步長(zhǎng)為20 ℃的溫度掃描圖。

圖12 方波-15℃～+65℃溫度掃描圖

由以上各圖可以看出，波形除了時(shí)間上存在延遲外并無(wú)畸變。電路在該溫度范圍內(nèi)是正常工作的。

6 結(jié) 語(yǔ)

該電路利用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的正反饋電路產(chǎn)生了三角波、方波以及最后利用差分電路的傳輸特性將方波

轉(zhuǎn)換成了正弦波，但可以看出正弦波在達(dá)到幅值時(shí)存在一定的失真，這是本電路的不足之處。在一些正弦波形要求不是絕對(duì)嚴(yán)格的場(chǎng)合，本電路是十分經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］路勇.電子電路實(shí)驗(yàn)及仿真\\[M\\].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

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［2］蔡忠法.電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)\\[M\\].杭州：浙江大學(xué)出版社，2003.

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［3］潘永雄，沙河，劉向陽(yáng).電子線路CAD實(shí)用教程\\[M\\].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2004.

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［4］童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)\\[M\\].3版.北京:高等教育出版社，2001.

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［5］李金平.模擬集成電路基礎(chǔ)\\[M\\].北京:北方交通大學(xué)出版社，2003.

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。