低频信号发生器的设计

摘 要：信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域。采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器电路产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用Multisim软件仿真电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。该设计可产生低于10 Hz的各波形输出，并已应用于实验操作。

关键词：信号发生器；方波信号；电路仿真；迟滞比较器

O 引 言
    信号发生器一般指能自动产生正弦波、方波、三角波电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。这里，采用分立元件设计出能够产生3种常用实验波形的信号发生器，并确定了各元件的参数，通过调整和模拟输出，该电路可产生频率低于10 Hz的3种信号输出，具有原理简单、结构清晰、费用低廉的优点。该电路已经用于实际电路的实验操作。

1 波形转换原理
1．1 方波和三角波的产生
    方波一三角波一正弦波信号发生器电路由运算放大器电路及分立元件构成，其结构如图1所示。它利用比较器产生方波输出；方波通过积分产生三角波输出。

1．2 利用差分放大电路实现三角波-正弦波的变换
    波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性，波形变换过程如图2所示。由图2可以看出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；三角波的幅度Uim应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。

2 电路设计及参数调整
    根据设计功能，电路的设计过程分为正弦波、方波、三角波3部分。
2．1 方波与三角波的产生及转换电路
    图3中U1构成同相输入迟滞比较器电路，用于产生输出方波。运算放大器U2与电阻Rp2及电容构成积分电路，用于将U1电路输出的方波作为输入，产生输出三角波。

    方波部分与三角波部分的参数确定如下：
    根据性能指标可知，由可见，f与C成正比，若要得到l~10 Hz输出，C=10μF；若要得到10～100 Hz输出，C=1μF。此时，R4+Rp2=7．5～75 kΩ，若取R4=5．1 kΩ，则Rp2=2.4 kΩ或者Rp2=69．9 kΩ，因为Rp2=100 kΩ时，
    根据输出的三角形幅值5 V和输出的方波幅值14 V，若有：R2／(R3+Rp1)14=5→R2／(R3+Rp1)=5／14时，R2=10 kΩ，则有Rp1XXXXXX△47 kΩ，R3=20 kΩ。根据方波的上升时间为2 ms，可以选择74141型号的运放。由此可得调整电阻为：

   
2．2 正弦波产生电路
    正弦波产生电路如图4所示。由于选取差分放大电路对三角波一正弦波进行变换，选择KSP2222A型的管，其静态曲线图像如图5所示。

    根据KsP2222A的静态特性曲线，选取静态工作区的中心静态电流和电压分别为：

   
因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小：

   
2．3 系统集成
    把各分电路集中在一块电路板上，共用电源和接地端后，整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路图如图6所示。

3 模拟实验结果及分析
3．1 模拟结果
    利用Multisim软件画出电路图，在相应点接上示波器，模拟电路结果。
    改变Rp2的值，由2．4 kΩ变为5．6 kΩ的输出结果对比如下。
3．2 结果分析
    (1)频率范围
    为便于测量，将电路图上的方波信号接入示波器，并合上C1=10μF的开关，断开C2=1μF的开关，然后调节Rp2并测出此时方波信号频率的变化范围；断开C1的开关，合上C2的开关，按照同样的方法调节Rp2，并记录方波信号频率的变化范围，结果如表1所示。电路的三种输出波形对比如图7所示。

    (2)输出电压
    方波信号接入示波器，调节Rpl，得方波峰峰Vpp=14 V；撤除方波信号并接入三角波信号，调节Rp1，测得三角波峰峰值Upp=5 V；将正弦波信号接入示波器，调节Rp3和Rp4，测得正弦波峰峰值Upp=2．8 V。

4 结 语
    函数信号发生器的性能指标主要取决于元器件的选择以及电路元器件参数的选择。在电路中接入示波器将对电路的负载匹配产生一定的影响，进而影响波形输出。该设计中采用MuItisim软件对设计出的电路进行模拟，对结果进行了仿真，电路可产生低于10 Hz的三种信号波形，输出电压可以达到合理范围，该电路已经应用于实验操作中。