函數信號發生器的設計與仿真
2008-04-12 00:00:00石玉軍劉振來
現代電子技術 2008年9期
摘 要：針對經濟欠發達的西部地區學校經費不足的特點，利用集成運算放大器LM301，設計出能產生正弦、三角、方波、梯形、鋸齒波和尖頂波等多種波形的函數信號發生器，且通過仿真很好地得到了各種波形。該函數信號發生器能滿足一般的實驗及演示的需要，并且成本很低，操作簡潔方便，具有一定的參考價值。
關鍵詞：集成運算放大器;三角波;正弦波;方波;函數信號發生器
中圖分類號：TN710 文獻標識碼：B
文章編號：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
信號發生器是實驗室的基本設備之一，目前廣泛使用的是一些標準產品，雖然功能齊全、性能指標較高，但是價格較貴，而且許多功能用不上。該設計以集成運算放大器為應用核心，通過添加外圍器件使之形成運算、正反饋電路，并滿足振蕩條件，產生一定的波形，最后利用差分電路的傳輸特性將方波轉換為正弦波。該儀器具有結構簡單、成本低、體積小、便于攜帶等特點，雖然功能及性能指標趕不上標準信號發生器，但足以滿足一般的實驗要求。該波形發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，使用運算放大器設計并制作一個函數信號發生器。
(2) 具有產生正弦波、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重復頻率可調，頻率步進間隔≤50 Hz。
(4) 輸出波形幅度范圍：方波：Vp-p≤24 V ， 三角波：Vp-p≤6 V ， 正弦波：Vp-p>1 V
方波上升和下降時間≤10 ms，三角波失真度≤2%，正弦波失真度≤5%，同時，可按一定的步進≤02 V(峰-峰值)調整。
(5) 具有信號大衰減功能，可以把輸出電壓衰減01，001倍。
(6) 利用占空比可調節，可產生一些其他的波形，如鋸齒波和尖頂波。
2 設計方案
2.1 直流穩壓電源的設計
采用集成穩壓器設計的穩壓電源具有性能穩定、結構簡單等優點，不再贅述。
2.2 信號產生電路方框圖
本設計思想是先由積分器和比較器同時產生三角波和方波，其中比較器起開關的作用，將具有正、負極性的電位交替地反饋到積分器，通過積分得到三角波。
圖1 信號產生電路方框圖
經過分析，本電路的優點有：
(1) 線性良好、穩定性好。
(2) 頻率易調。在幾個數量級的頻帶范圍內，可以方便地連續地改變頻率，而且頻率改變時，幅度恒定不變。
(3) 三角波和方波在半周期內是時間的線性函數，易于變換其他波形。
同時差分放大電路具有工作點穩定、輸入阻抗高，抗干擾能力強的特點。利用差分放大器的差模傳輸特性曲線具有非線性，來進行電路波形的變換。
3 整機電路設計和分析計算
3.1 三角波-方波產生電路
電路如圖2所示，由三個集成運算放大器組成。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實現限幅、反相等功能運算。同時A2和A3組成正反饋電路，用R1作反饋通路。穩定時，A3的輸出電壓只能是正電平U+和負電平U－ 。假設在初始狀態時，A3輸出為正電平U+。其中一部分信號反饋到A2的反相輸入端。另一部分通過RP1反饋到A1的反相輸入端，其值的大小由R8與R13的分壓比決定。該信號電壓被積分器反相積分，使A1的輸出電壓uo1以時間常數RP1C2下降，并通過R2加在A2的反相輸入端，流過R1的反饋電流U+/R1(設為I1)，流過電阻R2的電流為uo1/R2 (設為I2)，當正反饋電流I1與電流I2相等時，A2反相輸入端的電壓為零。由于開關二極管的作用，A2開始從-07 V跳變到+07 V，從而迫使A3的輸出隨之翻轉，使uo3從U+跳變到U－，與此同時，A1反相輸入端的電壓也隨之翻轉跳變到負電平U－，A1對電壓U－進行反向積分，使得uo1按著同樣的時間常數RP1及C2上升，電流I2與I1反向。I2 = uo1/R2逐漸增加，當正反饋電流I1與I2相等時，uo2再次跳變，從+07 V跳變到-07 V，迫使Uo3再次翻轉，從U+跳變到U－，這就完成了一個振蕩周期，如此周而復始的循環。在A1地輸出端產生三角波uo1，在A3的輸出端產生方波uo3。
圖2 三角波-方波產生電路圖
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載。圖中Q1，Q2為PNP型鏡像電流源作為Q3，Q4的有源負載。如前所述，電路利用了差放的轉移特性，將三角波近似逼近為正弦波。
在差模輸入電壓作用下，Q3，Q4分別輸出數值相等、極性相反的增量電流，即ic1=ICQ+ic，ic2=ICQ－ic，其中ic1通過Q1管時，他將等值的轉換到Q2管。因此，輸出電流io=iC2－iC4=iC1－iC4iC3－iC4=2iC，這就是說，他的值近似等于近雙端輸出時的差模輸出電流。
在共模輸入電壓作用下，Q3，Q4分別輸出數值相等、極性相同的增量電流，即ic1=ICQ+ic，ic2=ICQ－ic，其中ic1通過Q1管時，他將等值的轉換到Q2管。因此，輸出電流io=iC2－iC4=iC1－iC4=iC3－iC4=0，也就是說，與雙端輸出時的差模輸出電流為零是一致的。
3.3 接口電路
通過上述電路的分析和設計，已經產生出了三種規定的函數波形，但為了滿足應用上的要求，還需輸入電壓可調，并具備一定的驅動能力。這些要求必須要有一個接口電路來實現和完成。
考慮到音頻信號的輸出阻抗常用600 Ω，而帶有反饋的運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為600Ω，這樣且即使發生誤操作使輸出短路，該電阻也能起到過流保護的作用。
在對輸出進行幅值調節時，輸出電壓變小，運放的偏移電壓的影響會很大。為了使信號有很大衰減，我們又設計了-20 dB和-40 dB的衰減器，可以把輸出電壓衰減01，001倍。在信號衰減的同時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-正弦波轉換電路圖
圖4 接口輸出衰減電路
4 整機電路圖的設計說明
差分放大電路的失調漂移往往是隨時間、溫度、電源電壓等外界因素的變化而變化的，由于這種失調漂移是隨機的，所以，任何調零裝置是不可能跟蹤的。為解決此類問題，我們利用調零電路給予補償，通過這種補償，使之達到零輸入時零輸出的要求。具體是通過調節RP6來調節差分放大電路。該電路主要由LM301集成運算放大器構成，這款運放具有較高的速度，價格雖略高，但是性能優越。
A6構成閉環負反饋運算放大器，對輸出具有穩壓性。晶體管Q5，Q6構成電流緩沖放大器，使輸出阻抗得以擴展，從而保證輸出的通用性。二極管D5，D6是為消除Q5，Q6的交越失真而設置的。整機電路圖見圖5。
圖5 整機電路圖
5 電路的EDA仿真分析
以下各參數的測量均在Protel 99SE的仿真支持下完成的。
5.1 輸出瞬態分析
通過在RP1和C2的數值范圍內對其調節可以得到頻率覆蓋1～10 kHz的各輸出波形。下面是其中的某個頻率的瞬態分析結果：
圖6 三角波-方波-正弦波輸出圖
通過測試的數據證明，該電路已遠遠超過了設計所要求的各項性能指標，而且其三角波、方波的表現又頗為突出，通過改變三角波積分電容和電阻的方法，還可以將頻率覆蓋進一步擴展至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，波形除了時間上存在延遲外并無畸變。電路在該溫度范圍內是正常工作的。
6 結 語
該電路利用集成運算放大器構成的正反饋電路產生了三角波、方波以及最后利用差分電路的傳輸特性將方波
轉換成了正弦波，但可以看出正弦波在達到幅值時存在一定的失真，這是本電路的不足之處。在一些正弦波形要求不是絕對嚴格的場合，本電路是十分經濟實用的選擇。
參 考 文 獻
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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。
