制作简易信号发生器：分析与优化

知识应用

信号发生器在测量中应用非常广泛，它可以产生不同频率的正弦信号、方波、三角波、锯齿波等。信号发生器种类繁多，专用信号发生器是专门为某种特殊的测量而研制的，如电视信号发生器、编码脉冲信号发生器等；通用信号发生器按输出波形可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数发生器和噪声发生器等，其中能够产生三角波、方波和正弦波的信号发生器最具普遍性和广泛性。

1.设计指标

设计一台能输出正弦波、方波、三角波的简易信号发生器，技术指标如下。

（1）电源工作电压为±12 V。

（2）输出频率范围为200～1 200Hz。

（3）输出电压为正弦波UP-P＞1 V、方波UP-P≤24 V、三角波UP-P=8 V。

（4）振荡器频率稳定度为＜10-2

（5）波形特性：正弦波失真度γ ≤5%，方波上升时间tr<100μs，三角波失真度γ ≤2%。

2.信号发生器电路简介

能够产生三角波、方波、正弦波的信号发生器，是电路实验和电子测量中提供一定技术要求的电信号仪器，也可用于检修电子仪器及家用电器的低频放大电路。根据前面学习的知识可知，正弦波、方波、三角波都有各自独立的能产生各自波形的电路，能产生各种波形的电路也是有多种多样的。如果3种波形采用3个独立的振荡器来产生各自的波形，电路就会变得相对复杂且难以调节。而这3种波形之间可以相互变换，若采用较简单的波形变换电路，可以使整机在满足设计要求的前提下，电路变得原理清晰、简单、易做，并且控制了电路的成本。那么，如何在给定的设计指标内选用适合要求的电路，是首先要解决的问题，在挑选电路中要考虑所选电路的正常工作频率范围，采用波形产生电路的形式，所产生频率的稳度度，电路的复杂程度，电路对所用器件指标的要求，电路调试的难易程度，几种波形之间的联系性等。

图6.25　信号发生器组成框图

图6.26　过零电压比较器

（a）电路；（b）电压传输特性

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波或方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等。在此只介绍先产生正弦波，再将正弦波变换成方波、三角波的电路设计方法，其电路组成框图如图6.25所示。

在图6.25中，产生正弦波使用一个独立的振荡器，用电压过零比较器对正弦波进行电压过零比较，输出为方波。再利用积分电路对方波进行积分，形成三角波。在需要改变频率时只需改变正弦波的频率就可以了。 1）正弦波振荡器

产生正弦波的电路有RC振荡器、LC振荡器、石英晶体振荡器。RC振荡器一般用于产生低频信号，LC振荡器、石英晶体振荡器一般用于产生高频信号。(www.xing528.com)

低频RC正弦波振荡器电路常用的结构有RC移相振荡器，RC文氏电桥振荡器。RC移相式振荡器结构简单，但其选频性差，而且输出幅度不够稳定，只用于要求不高的场合。RC文氏电桥振荡器电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，它适用于产生频率小于1 MHz的低频振荡信号，振幅和频率稳定，许多低频信号发生器的主振器均采用这种电路。

由分立元件构成的RC正弦波振荡器，电路结构复杂，元件较多，调节不方便。因此，选用集成运放来代替由分立元件组成放大电路，考虑到波形变换电路也要使用集成电路，可以选用LM324四运放集成电路。采用集成运放的RC正弦波振荡器，电路结构简单，调节方便，性能较好。

2）过零比较器

电压比较器是集成运放非线性应用电路，它将一个模拟量电压信号和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变，相应输出高电平或低电平。比较器可以组成非正弦波形变换电路及应用于模拟与数字信号转换等领域。常用的电压比较器有过零比较器、具有滞回特性的双门限比较器、窗口比较器等。

图6.26（a）所示为过零比较器，信号从运放的反相输入端输入，参考电压为零，当us＞0时，输出uo=-Uom，当us＜0时，uo=+Uom。其电压传输特性如图6.26（b）所示。

过零比较器结构简单，灵敏度高，输出幅度可以接近电源电压，但抗干扰能力差。

比较器主要用来对输入波形进行整形，可以将正弦波或任意不规则的输入波形整形为矩形波或方波输出，其原理如图6.27所示。

图6.27　用比较器实现波形变换

（a）正弦波变换为矩形波；（b）正弦波变换为方波

3）积分器

当积分器的输入为方波时，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6.28所示。

图6.28　方波通过积分器后转换成三角波

在选择积分电路元器件时，要注意其积分时间常数与实际工作频率相适应。如果不相适应，则三角波可能出现失真，同时要注意方波输出信号的幅度要与积分器的允许输入幅度相匹配；否则三角波也可能出现失真。