函数信号发生器的设计与制作。
一、实验目的。
能在设计与制作实验的过程中，结合所学理论知识，进行电子应用电路的设计、组装与调试，以此来掌握使用模拟分立元器件和数字电路集成芯片设计一个函数信号发生器电路的方法和实践技能，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。
二、设计任务。
设计并制作一个函数信号发生器电路。
主要技术指标。
1）输出波形：正弦波、方波、三角波。
2）频率范围： 100hz～１kｈz。1khz～10khz
3) 输出电压：方波up-p≥20v，三角波up-p=6v，正弦波up-p>1v；
4) 波形特性：方波tr<10s（1khz，最大输出时），三角波失真系数<2%，正弦波失真系数<5%。
三、实验原理分析。
通过任务分析，我们可以知道产生正弦波方波和三角波的方案有多种，如正弦波—方波—三角波，或者方波—三角波—正弦波，亦或者三角波—方波—正弦波。在本次的电路实现中我们采取了第二种方式，具体如图一所示。
图1 函数信号发生器框图。
1、方波—三角波电路。
图2所示为产生方波-三角波电路。工作原理如下：若a点短开，运算放大器a1与r1、r2及r3、rp1组成电压比较器，c1为加速电容，可加速比较器的翻转。
图2方波-三角波产生电路。
由图2分析可知比较器有两个门限电压。
公式一。公式二。
运放a2与r4、rp2、c2及r5组成反相积分器，其输入信号为方波uo1时，则输出积分器的电压为。
公式三。当uo1=+vcc时。
公式四。当uo1=-vee时。
公式五。可见积分器输入方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形如图3所示。
图3 方波-三角波波形。
a点闭合，即比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为。
公式六。方波-三角波的频率为。
公式七。由上分析可知：
电位器rp2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。
方波的输出幅度应等于电源电压。三角波的输出幅度应不超过电源电压。电位器rp1可实现幅度上下微调，但会影响波形的频率。
2、三角波→正弦波的变换。
三角波→正弦波的变换主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性的非线性。其非线性及变换原理如图4所示。
图4 三角波→正弦波的变换原理。
1 传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
2 三角波的幅度um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
图5为三角波→正弦波的变换的电路。其中rp1调节三极管的幅度，rp2调整电路的对称性，其并联电阻re2用来减少差分放大器的线性区。电容c1、c2、c3为隔直电容，c4为滤波电容，以减少滤波分量，改善输出波形。
图5 三角波→正弦波变换电路。
整个设计电路采用如图6所示。其中运算放大器a1、a2用一只双运放μa747，差分放大器采用单入、单出方式，四只晶体管用集成电路差分对管bg319或双三极管2sc等。取电源电压为±12v。
计算元件参数：
比较器a1与积分器a2的元件参数计算如下：
公式八。公式九。
取r3=10kω,则r3+rp1=30 kω，取r3=20kω, rp1为47 kω的电位器。取平衡电阻r1=r2//（r3+rp1）≈10 kω。
公式十。当1hz≤f≤10hz时，取c2=10μf，则r4+rp2=（75~7.5）kω，取5.
1 kω，rp2为100 kω电位器。当 19hz≤f≤100hz，取c2=1μf以实现频率波段的转换，r4、rp2的值不变。取平衡电阻r5=10 kω。
三角波→正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容c3、c4、c5要取得大，因为输出频率较低，取c3=c4=c5=470μf，滤波电容c6一般为几十皮法至0.1μf。
re2=100ω与rp4=100ω，相并联，以减少差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整rp4及电阻r*确定。
四、电路**分析。
通过对单元电路的分析，最终我们确定了电路总图，并选用了multisim对其进行了**分析，**的电路总图如下图图6所示。
图6 电路**总图。
在**分析的过程中，我们发现，在第一部分，由放大器构成的比较器能够产生稳定的方波，并且经过积分器后也能得到效果比较好的三角波，经过差分放大器后，我们得到了正弦波，但是有少量的失真，通过调整几个滑动变阻器的值分别改变其电压值以及频率和正弦信号的对称性，我们通过示波器观测到以下波形。可以确定此电路可以基本完成实验的要求。
图7 电路**结果图。
五、实际电路搭建及结果分析。
经过实验方案的确定以及**结果的分析后，我们确定了基本的电路搭建方案，于是在面包板上搭建了实际电路，如图8所示。
图8 实际电路搭建图。
首先按照电路原理图连接电路，在电路连接好的基础上，分别将试验箱上的电源+12v和-12v连接到实验板上，然后检测第一个741的6号脚输出端，我们可以得到方波，其峰峰值达到21.6v，通过调整滑动变阻器，可以改变其频率值。在第二个741的6号输出脚端，我们可以得到了三角波，其峰峰值达到3.
22v，在电路的最末端我们可以得到正弦波，其峰峰值达到了726mv，通过调整100欧姆的滑动变阻器我们可以改变其对称性，调整47k的滑动变阻器我们可以改变其值的大小，通过调整我们发现，其频率变化范围为10—330hz。具体实验结果如图9所示。
图9 实验结果之示波器图。
六、实验小结。
首先，在本次的电路设计与制作中，我们也并非是一帆风顺，一次做成的，中途我们遇到了不少问题，在第一次电路连成后进行了功能测试，我们的方波三角波和正弦波均不能产生，然后我们进行了电路功能拆分，分步进行原因查询，最后完成了电路的搭建，但是最后正弦波仍然有问题，后来进过排查，发现了我们的电路的布线以及我们对与示波器等仪器的使用仍存在很多的不足，并且对电路的原理理解不够透彻，不能很好的对电路中的信号进行调整。这些均在本次制作中得到了解决，我们从中受益匪浅。
其次，遇到问题是我们成长的最大助力，就在遇到问题，解决问题的过程中，我们学到和掌握了更多的知识。在自己认真的去查询问题，并解决问题的过程中，我们发现，我们只要认真努力自己也可以完成很多事情，同时也激发了我们对与电子制作的兴趣和做的更好的信心和决心。我们在以后的制作中一定会更加努力的。
七、参考文献。
1】 谢自美，《电子线路设计实验测试》第三版，武汉，华中科技大学出版社，2023年。
2】 康华光，《电子技术基础模拟部分》第五版，北京，高等教育出版社，2023年。
3】 阎石，《数字电子技术基础》第四版 ，北京，高等教育出版社，2023年。
4】 陈有卿，《集成电路妙用巧用300例》，北京，人民邮电出版社，2023年。
附录。元器件清单。
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