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实验六 信号产生与转换电路设计 一、 实验目的 （1）掌握正弦波振荡电路的基本工作原理； （2）掌握RC正弦波振荡电路的基本设计、调试和分析 方法； （3）掌握方波、三角波发生器的基本设计、调试和分析 方法； （4）理解正弦波产生电路和方波、三角波转换电路的相 互转换。 二、实验仪器及器件 （1）双踪示波器； （2）直流稳压电源； （3）数字电路实验箱或实验电路板； （4）数字万用表； （5）uA741集成电路芯片. 三、预习要求 （1）了解简易函数发生器的设计思路； （2）熟悉常用的RC正弦波振荡电路工作原理，以及方波和三 角波产生电路的工作原理； （3）熟悉电路中相关参数的计算方法。 四、 实验原理 1、设计任务 设计一个能产生正弦波、方波和三角波的简易函数 发生器，该电路的输出频率可调，幅值可调。输出的信 号波形完整不失真，输出阻抗<100Ω。 2、设计要求 （1）输出波形：正弦波、方波和三角波； （2）输出频率：750HZ--7KHZ可调。 （3）输出峰峰值：正弦波Upp≥5V，方波Upp≥12V，三 角波Upp≥3V。 （4）输出阻抗*不大于100Ω。 （5）方波的占空比可调*。 说明：带（*）的指标要求为扩展内容。 3、电路参考设计方案——方案一 正弦波 振荡器 比较器 正弦波 方波 幅度控制与 功率放大 输出 积分器 三角波 图1 简易函数发生器参考方案一 此电路的正弦波发生器的设计要求频率连续可调，方 波输出要有限幅环节，积分电路的时间参数选择很重要， 保证电路不出现积分饱和失真。 正弦波产生电路有RC、LC、石英晶体振荡器等 。 3、电路参考设计方案——方案二 方波发 生器 积分器 方波 三角波 三角波转 正弦波 幅度控制与 功率放大 输出 正弦波 图2 简易函数发生器参考方案二 此电路的方波发生器的设计要求频率连续可调，输出要 有限幅环节，积分电路的时间参数选择保证电路不出现积 分饱和失真。 三角波转正弦波电路有滤波法，折线近似法。 3、电路参考设计方案——方案三 频率 控制 波形 控制 波形表 高频石英晶 体振荡器 数模转换 幅度控制与 功率放大 滤波 正弦波/ 方波/ 三角波 输出 图3 简易函数发生器参考方案三 该方案是以数字式的频率控制与波形控制模块为核心， 控制存储在波形表中的数字化波形采样值的读出间隔，然 后通过数模转换将数字化波形转换为模拟的波形；通过滤 波器滤除高频分量，可以获得任意的波形（正弦波、方波、 三角波等）。 此方案的频率控制模块实现频率可调，波形控制模块 用于选择输出波形，输出频率的间隔取决于控制字的长度 和振荡器的频率。 3、电路参考设计方案——方案四 方波发 生器 幅度控制与 功率放大 积分器 方波 三角波 输出 正弦波 正弦波 图4 简易函数发生器参考方案四 该方案是正弦波产生电路与方波、三角波产生电路相 互独立，实现电路简单易行。其中正弦波的产生可以参考 方案一的设计思路，而方波、三角波产生电路参考方案二 的设计思路。 4、电路设计与元器件选择 四种方案都包括两部分，其中一部分为产生频率可变、 幅度一定的不失真的信号源电路，另一部分为对不失真信 号进行幅度控制和提高信号源带负载能力的功率放大电路。 本设计主要针对第一部分展开，第二部分为扩展内容。 参考设计采用方案四，设计包含二部分，即RC桥式正 弦波振荡电路部分、方波三角波产生电路部分。 （1）正弦波产生电路参考设计 R1 2k Vcc D2 RW1 D1 1N4148WT 1N4148WT 0% R3 U1 2k 7 20k C1 3 10nF 6 2 4 1 5 RW2 UA741 0% C2 RW3 VEE 37% 10nF 20k 10k R2 2k 图5 正弦波信号产生参考电路 该电路由放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅环 节这四部分组成，电路利用RC选频网络选择特定频率的信 号放大并振荡输出。 振荡频率为： 1 f0 2 ( Rw1 R1 )( Rw2 R2 )C1C2 改变Rw1、Rw2即可改变振荡频率。电路起振的幅 值条件是 | A F | 1 RW 3 RD // R3 | A | RW'' 3 1 | F | Rw1 R1 C2 1 Rw 2 R2 C1 其中， VSOM VOM （2）方波-三角波变换电路参考设计 C3 VEE 0.1uF 4 1 5 U2 5.1k U3 2 6 3 4 1 5 R6 2 100% R5 RW4 510 6 3 7 50k 7 UA741 R7 R3 UA741 5.1k 20k Vcc R4 5.1k 图6 方波与三角波信号产生与转换参考电路 该电路由一个迟滞比较器和积分器组成。对于±15V双 电源供电方式，方波的幅度为： VSOM VOM ，VOM>6V。 VSOM VOM （2）方波-三角波变换电路参考设计（续） C3 VEE 0.1uF U2 4 1 5 RW4 5.1k U3 2 6 3 4 1 5 R6 2 100% R5 510 6 3 7 50k 7 UA741 R7 R3 5.1k 20k R4 Vcc 5.1k 三角波的幅度为： 方波的周期T为： VTOM R4 VOM R3 4R4 ( Rw4 R6 )C3 T R3 UA741 五、基础实验内容及要求 1、 正弦波主要参数测试 R1 2k Vcc D2 RW1 1N4148WT 0% R3 U1 2k 7 20k C1 3 10nF 6 2 4 1 5 RW2 UA741 C2 0% RW3 10nF VEE 37% 参考图5设计RC正弦 波振荡电路，计算出各元 件参数值，R w1、R w2采 用双联可调电位器。 D1 1N4148WT 20k 10k R2 2k 图5 正弦波信号产生参考电路 （1）在Rw1、Rw2位于中间位置时，调节Rw3使电路 起振，观察振荡输出波形；在振荡波形不失真情况下，基 本维持Rw3不变，调节Rw1、Rw2，使其阻值同时逐渐增 大或同时逐渐减小，观察振荡输出波形的变化，按照表1的 实验观测指标测试电路，并将实验测量结果填入表1。 1、 正弦波主要参数测试（续） R1 2k Vcc D2 RW1 D1 1N4148WT 1N4148WT 0% R3 U1 2k 7 20k C1 3 10nF 6 2 4 1 5 RW2 UA741 0% C2 RW3 VEE 37% 10nF 20k 10k R2 2k 图5 正弦波信号产生参考电路 （2）D1、D2不接入电路，在Rw1、Rw2位于中间位置时， 调节Rw3使电路起振，用示波器观察振荡输出波形并绘出 该波形，分析振荡波形的特点。适当调节Rw1、Rw2，观 察振荡波形的变化。 1、 正弦波主要参数测试（续） 表6.1 Rw1 Rw2调至 最小值 Rw1 Rw2调至 中间某个值 fo（Hz）测量值 幅度Vo1pp（V） Rw1+R1（测量） Rw2+R2（测量） 波形 fot（Hz）计算 值 (fot- fo)/ fot*100 注意：测量Rw1+ R1、Rw2+R2时要断电开路测量。 Rw1 Rw2调至 最大值 2、方波-三角波主要参数测试 C3 VEE 0.1uF 4 1 5 U2 2 6 3 4 1 5 2 510 6 3 50k UA741 7 5.1k U3 R6 7 R5 RW4 100% 参考图6设 计方波-三角波 产生与变换电路， 计算出各元件参 数值，并按数值 标称系列选择元 器件。 R7 R3 5.1k 20k Vcc R4 5.1k 图6 方波与三角波信号产生与转换参考电路 （1）将Rw4从最大调至最小，用示波器观察U2、U3 的输出波形。若无输出波形，分析产生的原因，适当 修改元件参数R3、R4，使之振荡。 UA741 2、方波-三角波主要参数测试（续） （2）实验测量：将Rw4从最大调至最小，观察振荡输出波 形的变化，按照表2的实验观测指标测试电路，并将实验测 量结果填入表2。 表2 Rw4调至最小值 幅度 （Vopp） 三角波 方波 方波的tr（us） 方波的td（us） fo(Hz)测量值 Rw4+ R6（测量） fot(Hz)计算值 (fot- fo)/ fot*100 Rw4调至中间某个值 Rw4调至最大值 波形 幅度（Vopp） 波形 幅度（Vopp） 波形 2、方波-三角波主要参数测试（续） 注意：在观测方波变换电路输出波形时，用示波器测量方波的上升沿时 间（tr）与下降沿（td）时间（测量示意图如图7所示），将测量值填入表 2。 VOH 90%(VOH-VOL)+VOL 10%(VOH-VOL)+VOL VOL tr td 图7 脉冲波形的上升沿与下降沿测量示意图 注意：测量Rw4+ R6时要断电开路测量。 六、扩展实验内容及要求 （1）根据正弦波振荡电路实验步骤（1）的结果，判断设计 是否与理论设计要求的频率范围与幅度一致？若未能达到设 计指标，修改设计参数，使之满足设计要求。 （2）根据方波-三角波转换电路实验步骤（2）的结果，判 断设计是否与理论设计要求的频率范围与幅度一致？若未 能达到设计指标，修改设计参数，使之满足设计要求。 七、电路调试及注意事项 （1）电路布局时应安排好各个集成块的位置，以方便连 线为原则。电路与外接仪器的连接端、测试端要布置合 理，便于操作。可调元件应放置在合适的位置以方便调 节。 （2）电路安装前，要先检测电阻、电容的大小，根据设 计的电路，正确连接元器件。 （3）电路安装完成后，要用万用表检测电源极性连接是 否正确，元器件之间的连接是否可靠。 （4）电路安装完成后，根据设计要求调节电压源的电压 至规定值，一切正常后才能给待测电路通电调试。