标准信号发生器电路

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计（论文）

摘 要

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。在电子技术应用领域，函数信号发生器的主要用途是在电子电路测量或调试时做信号源，本课题要求设计输出标准方波波形的函数信号发生器，要完成此方案的方法有许多，可通过迟滞比较器和RC积分电路或集成运算放大器来实现方波信号的产生，其中由集成运算放大器构成的方波信号发生器具有结构简单、调试方便的优点，本文主要对标准方波波形信号发生器电路作深入分析。设计中多用到模拟电子基础技术中的知识，以充分复习和应用自己已经学过的知识。

关键词：直流稳压电源 标准信号发生器 方波波形

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目 录

摘 要 ....................................................................................................................... - 1 - 第一章 绪 论 ..................................................................................................... - 3 - 第二章 标准信号发生器电路设计方案论证 ................................................... - 4 -

2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1

标准信号发生器电路的应用意义 ..................................................... - 4 - 设计任务、要求及功能要求 ............................................................. - 4 - 设计方案论证 ..................................................................................... - 5 - 总体设计方案框图及分析 ................................................................. - 6 - 迟滞比较器和RC方波产生电路 ....................................................... - 8 - 变压、整流电路（包括交流转换为直流） ..................................... - 8 - 滤波电路 ............................................................................................. - 9 - 稳压电路 ............................................................................................. - 9 - 迟滞比较和RC反馈网络整体电路图及其工作原理 ...................... - 11 -

第三章 标准信号发生器各单元电路设计 ....................................................... - 8 -

第四章 标准信号发生器整体电路设计 .......................................................... - 11 -

4.2 直流稳压电源整体电路图及工作原理 ............................................... - 13 - 第五章 标准信号发生器电路的参数分析 ..................................................... - 15 -

5.1 5.2 6.1

标准信号发生器 ............................................................................... - 15 - 直流稳压电源 ................................................................................... - 15 - 整体电路如图 ................................................................................... - 17 -

第六章 整体电路图及分析 ............................................................................. - 17 - 第七章 课程设计总结 ......................................................................................... - 18 - 参考文献 ............................................................................................................... - 19 - 附录一 ................................................................................................................... - 20 -

元器件清单 ................................................................................................... - 20 - 附录二 ................................................................................................................... - 21 -

整体电路图 ................................................................................................... - 21 -

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第一章 绪 论

在现在社会里，人们的生活通过科技的创新而改变。而其中，电子产品的更新换代的速度也愈来愈快。可以说，电子产品改变人类的生活。虽然，绝大部分电子类产品的原理是复杂的，但是，其基本的原理都是一样的，他们都是对信号进行采集、分析和处理，从而做出相应的处理。

可见，信号质量的好坏，很大程度上可以决定一个电子产品是否符合人的需求。就目前来说，在信号波形的产生与分解这一部分，国内外的技术已日趋成熟，

而我通过本文，一方面来浅析一下该部分的工作原理，另一方面也通过课程设计来巩固自己所学知识，为以后的工作和学习做好铺垫。

本文主要深入讨论标准信号发生器电路及其工作所需直流稳压电源。进一步复习模拟电子技术基础的知识，为实践工作做准备。

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第二章 标准信号发生器电路设计方案论证

2.1 标准信号发生器电路的应用意义

电源和信号发生器是电子电路和电子系统中不可缺少的重要组成部分。通过本次设计，可了解直流稳压电源的工作原理，学习用集成运算放大器构成方波发生器的设计方法和调试方法，并观测方波发生器的波形、幅度和频率，进一步熟悉波形变换电路的工作原理及参数计算和调试方法。学习基本理论在实践中综合运用的初步经验，掌握模拟电路设计的基本方法、设计步骤，培养综合设计与调试能力。信号发生器也称信号源，是用来产生振荡信号的一种仪器，为使用者提供需要的稳定、可信的参考信号，并且信号的特征参数完全可控。所谓可控信号特征，主要是指输出信号的频率、幅度、波形、占空比、调制形式等参数都可以人为地控制设定。随着科技的发展，实际应用到的信号形式越来越多，越来越复杂，频率也越来越高，所以信号发生器的种类也越来越多，同时信号发生器的电路结构形式也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。

2.2 设计任务、要求及功能要求

⑴ 设计任务：

①波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路，现设计并制作能产生标准方波波形信号输出的函数发生器。

②设计电路所需的直流稳压电源。

⑵ 功能要求：

①输出的各种波形工作频率范围1.5kHz。 ②方波幅值5V，2V，1V（峰-峰值）。

⑶ 设计要求：

①分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用 环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。

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②确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。

③设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。

④组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。

2.3 设计方案论证

⑴ 标准信号发生器

根据设计要求，我提出以下两种方案

方案一：用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得方波输

出。

文氏桥振荡器（RC串-并联正弦波振荡器）产生正弦波输出，其主要特点是采用

1RC串-并联网络作为选频和反馈网络，振荡频率为f0，改变RC的

2πRC数值，可以得到不同频率的信号输出，为了使输出电压稳定，需采取稳幅措施。用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号转化为方波信号输出。

方案二：使用迟滞电压比较器加一个RC充放电回路构成的负反馈网络作为简

单的方波信号发生器。线路简单，输出信号稳定，比较合适于方波产生信号。

结论：方案二比起方案一来结构更加简单明了，元器件使用少，构成成本比较

低，制作起来简单方便。所以本文决定采用方案二来完成课程设计。

⑵ 直流稳压电源

直流稳压电源一般由电压变压器、整流滤波电路及稳压电路等组成，是电子电路

和电子系统中不可缺少的重要组成部分，集成稳压器在电源设备中得到广泛应用。

结论：为了符合设计要求并考虑实际能力，本文采用串联式反馈稳压电源

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2.4 总体设计方案框图及分析

⑴ 标准信号发生器框图与分析

分析：方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。

由于方波或矩形波包含极其丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡电路。它在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf、C组成的积分电路，把输出电压经过Rf、

C反馈到比较器的反相端。

迟滞比较器 反馈

图2.1 信号发生器框图

RC反馈网络 ⑵ 直流稳压电源框图与分析

分析：本电路将220V，50Hz的交流电压通过变压器变成使用的电压在经过整流

电路得到单向电压、经过滤波电路得到相应频率的电压，最后经过稳压电路得到所需电压。

变压电路 整流电路 滤波电路 稳压电路

图2.2 直流稳压电源框图

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⑶ 综合总体框图

图2.3 综合总体框图

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第三章 标准信号发生器各单元电路设计

3.1 迟滞比较器和RC方波产生电路

由运算放大器A﹑R0﹑R1﹑R2﹑DZ1和DZ2组成的迟滞比较器与RC反馈电路

组成方波发生器电路如图3.1所示。

在迟滞比较器翻转之前，（设V0VZ）。VCV0为一常数V0通过对Rf对Cf充电，

由R1VZ/R1R2逐渐上升，随着VC的增大，Rf两端的电压逐渐下降，充电电流iC也将不断减小，使VC上升速度减慢。

图3.1 迟滞比较器和RC反馈网络电路图

由此可计算出振荡周期T2Rln(12R1) R2 (3.1.1)

3.2 变压、整流电路（包括交流转换为直流）

本电路的目的在于从220V、50Hz的交流电压中得到直流电压。当输入为220V交流电压时候，首先通过变压器降为25V左右的交流电压。整流部分选用了 全波桥式整流电路，输出为32V的直流电压，电路图如图3.2所示。

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图3.2变压、整流电路

Vo 3.3 滤波电路

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一半由电抗原件组成，如在负载电阻两端并联电容Cf或于负载串联电感L，以及电容、电感组合而成的各种复式滤波电路。特点是导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。电路图如图3.3所示，本部分采用电感滤波。

图3.3 滤波电路

3.4 稳压电路

图3.4是串联反馈式稳压电路中的一般构图，途中VI是整流电路的输出电压，A为调整管,A为比较器放大电路， VREF为基准电压，它是由稳压管DZ与限流电阻R串联所构成的简单稳压电路而获得，R1与R2组成反馈网络，是用来反映输出电压变换的取样环节。

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图3.4 稳压电路

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第四章 标准信号发生器整体电路设计

4.1 迟滞比较和RC反馈网络整体电路图及其工作原理

⑴ 方波发生器整体电路图

如图4.1所示，迟滞比较器和RC反馈网络组成方波信号发生器。 该电路的振荡频率为：f0

方波的输出幅值为：VoM1RRfCfln(11)R2 (4.1.1)

=Vz （4.1.2）

把迟滞比较器和RC反馈网络首尾相连形成正反馈闭环系统，如图4.1。迟滞比较器的方波经过RC反馈网络可得三角波，三角波又出发比较器自动翻转转为方波，这样就构成了方波发生器。

图4.1 方波发生器整体电路

⑵ 工作原理

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在迟滞比较器的基础上增加一个由Rf、C组成得到积分电路，把输出电压经过

Rf、C反馈到比较器的反相端。在比较器的输出端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了一个如图4.1所示的双向限幅方波发生电路。电路

的正反馈系数F为：F

在接通电源的瞬间，输出电压究竟是偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于正饱和值，即v0Vz时，加到电压比较器同相端的电压为FVz，而加于反相端的电压，由于电容器C上的电压vc不能突变，只能有输出电压v0通过电阻Rf按指数规律向C来充电建立，充电电流为i。显然，当加到反相端的电压vc略正于FVz时，输出电压便立即从正饱和值（Vz）迅速翻转到负饱和值（Vz），

R2R1R2 （4.1.3）

Vz又通过对Rf对C进行反向充电，充电电流为i。直到vc略负于FVz值时，输出状态再翻转回来。如此循环不已，新城一系列的方波输出。

图4.2画出了在一个方波的典型周期内，输出端及电容器C上的电压波形。

设t0时，vcFVz，则T/2的时间内，电容C上的电压vc将以指数规律由

FVz向Vz方向变化，电容端电压随时间变化规律为

tRfC图4.2 电压波形

（4.1.4）

vc(t)VZ[1(1F)e设T为方波的周期，当tT/2时，vc(T/2)FVZ,代入上式可得

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对T

如适当选取R1和R2的值，可使F=0.462，则振荡周期可简化为T2RfC，或振荡频率为

（4.1.7）

Tvc()VZ[1(1f)e2T2RfC]FVZ求解，可得

（4.1.5）

T2RfCln1FR2RfCln(122)1FR1 （4.1.6）

f11T2RfC在低频范围（如10Hz到10kHz）内，对于固定频率来说，此电路尚可。当振荡

频率较高时，为了获得前后沿较陡的方波，以选择转换速率较高的集成电压比较器代替运放为宜。

4.2 直流稳压电源整体电路图及工作原理

⑴ 直流稳压电源整体电路图

图4.3 直流稳压源整体电路

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⑵ 工作原理

电路如图4.3所示，T为电源变压电路，它的作用是将交流电网电压V1变成整流电路要求的变流电压V22V2sinwt，RL是要求直流供电的负载电阻，四只整流二极管D1D4接成电桥的形式，故有桥式整流电路之称。

由于电抗原件在电路中游储能作用，串联电感在电源供给的电压升高时，能把部

分能量存储起来，而当电源电压降低时，就能把能量释放出来，使负载电压比较平滑、即电感L具有平波的作用，当忽略电感L的电阻时，负载上输出的平均电压和纯电阻负载相同VL0.9V2。

电感滤波的特点是整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦。缺

点是由于铁心的存在、体积大、笨重，易引起电磁干扰，一半只适用于低电压 大电流场合。如果想进一步减小负载电压中的纹波，电感后面再接一个电容来构成。

如图3.4这种稳压电路的主要贿赂是起调整作用的BJT与负载串联，故称为串联

式稳压电路。输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路（A）放大后去控制调整管T的ce极间电压降，从而达到稳定输出电压Vo的目的。稳压源里可简述如下：

输入电压VI增加时，输出电压V0增加，随之反馈电压

VF也增加。VF与基准电压VREF相比较，其差值电压经常比较

R2VOFVVOR1R2放大电路放大后使VB和IC减小，调整管T的ce极间电压VCE增大，使V0下降，从而维持V0基本恒定。同理，当输入电压VI减小（或负载电流IO增加）时，也将使输出电压基本保持不变。

从反馈放大电路的角度来看，这种电路属于淡雅串联负反馈电路。调整管T

连接成电压跟随器。因而可得VBAV(VREFFVVO)VO或VOVREFAv式

1AVFv中Av是比较放大电路的电压增益，是考虑了所带负载的英雄，与开环增益AVO不 同。在深度负反馈条件下，1AvFv1时，可得VoVREFR1，表 VREF1FVR2明，输出电压VO与基准电压VREF近似成正比，与负反馈系数FV成反比。当VREF及FV已定时，VO也就确定了，因此它是设计稳压电路的基本关系式。

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第五章 标准信号发生器电路的参数分析

5.1 标准信号发生器

⑴ 集成运算放大器的选择

在方波发生器电路中，用于电压比较器的集成运算放大器，其转换速率应满足方波频率的要求。当方波频率较高（几十千赫兹以上）或对方波前、后沿要求较高时，应选用高速集成运算放大器来组成滞回比较器。

⑵ 稳压管的选择

稳压管的作用是和确定方波的幅值，此外方波振幅和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关，为了得到稳定而又对称的方波输出，通常都选用高精度双稳压二极管，如2DW7.R。是稳压管的限流电阻,其值根据所用稳压管的稳压电流来确定。稳压管的电压VZ5V；R02K。

⑶ 分压器电阻R1和R2的确定

R1和R2的主要作用是提供一个随输出方波电压而变化的基准电压,并决定方波的幅值。所以R1和R2的阻值应根据方波的峰值要求来确定。例如,已知VZ5V,若要方波的峰值为2.5V、1V、0.5V;R1125、50、25K;R210K。如果要求幅值可调,则应选用电位器。

⑷ Rf、Cf值的确定

Rf、Cf的值可根据方波的振荡频率f0来确定。当Rf、Cf的值确定后，先选定再确定Rf的值，一般积分电容不宜超过1F。 Cf的值，Cf取0.1F；Rf0-1900k。

5.2 直流稳压电源

⑴ 整流滤波电路

当电网电压最低为176V（衰减20%）时，必须保证VO12V，又为保证整管工

作于放大区，取VCE14V,V116V,此时变压器次级电压有效值1.2V2V1，

V213.3V，变压器匝数比n176/13,313.2,可采用12：1的变压器，使

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V1220V,V218V。流过整流二极管的电流ID(1/2)IOmax1A。U=58.4V

对于滤波电感，为使纹波足够小，5T/20.05s，L/R5、LRint，Rint包括变压器副线组的直流电阻和二极管D的正向电阻。所以Rint一般很小。

RL1.2V2/IOmax1.218/211，LRL0.05110.55H，空载电容上最大电压为2(115%)V229V，C2取几十F到几百F，所以C290F。

⑵ 采样电阻计算

VoR3R42.5，R4300，R32.58k R4⑶ 调整管参数计算

IOmax2A，要求T2的ICM2A,POmaxVCE2maxIOmaxVImaxIOmaxW

设推动管T2的100，则IB2IO/2/10020mA,R1220。

⑷ 整流二极管的选择

二极管D的de容量可按D流过的平均电流ID和承受的最大反向电压VRM来选

择，并注意留余量，在桥式整流、电感滤波电路中每只二极管可按照

ID1/2ID,VRM2V2来选择。

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第六章 整体电路图及分析

6.1 整体电路如图

结论：波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路，本文所设计的是能

产生标准方波波形信号输出的函数发生器。波形工作频率范围1.5kHz以下连续可调，方波幅值5、2、1V（峰值）连续可调。本电路的功能是将电网电压作输入信号，经过变压、整流、滤波和稳压产生直流的12V稳压电源。

图6.1 整体电路图

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第七章 课程设计总结

本次课程设计是基于完成一学期《电子技术基础（模拟部分）》学习的基础

上而进行的，在老师的带领下，我学习了这门与电子技术接轨的学科，在此感谢老师在平时学习生活中对我的教导和这次课程设计中对我的帮助。

在经过对本文课题的研究设计和实践中，我加深了对本课程理论和基本知识的理解，掌握并运用了一些简单的基本的设计应用电路方法，从开始题目的研究，到一点一点的设计分部电路图和总结整体电路图，再到对参数的计算和对各种方案的衡量，都让我深深体会到电子技术的魅力，让我对这门学科产生了浓厚的兴趣。虽然辛苦，可也体会到了其中乐趣和意义，提高了我对这门学科的认识，也锻炼了我的思考能力和查阅资料的能力。

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参考文献

[1] 康华光，电子技术基础模拟部分[M]（第五版）.北京：高等教育出版社，2006. [2] 王炳软，集成电路应用原理.电子科技出版社,1994. [3] 万嘉若，电子线路基础[M].北京：高等教育出版社.1987.

[4] 辽宁工业大学电子信息工程教研室，模拟电子技术基础学习指导.沈阳：东北大学出版社.2007.

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附录一

元器件清单

序号 1 名称 电阻 规格 300 1个 2k 1个 2.58k 1个 10k 3个 220k 1个 0．1F 90F 0.55H DIN4006GP 100 1个 VCE14V 1个 数量 共计7个 2 电容 （电感） 共计3个 3 4 二极管 三极管 共计4个 共计2个 5 6 稳压二极管 电位器 2.5V 0~150k/A 0~19000k/A 共计4个 共计2个 7 8 9

变压器 运算放大器 双踪示波器 线圈匝数比12：1 普通 普通 共计1个 共计2个 共计1个

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附录二

整体电路图

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