波形发生器电路的设计（实现正弦波、方波和三角波的输出）

1、设计思路（示例）

波形信号发生器，正弦波、三角波、方波、矩形波等这几种较为常见信号的发生装置。该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端，即可组成矩形波信号发生器。然后经过积分电路产生三角波，三角波通过低通滤波电路来实现正弦波的输出。其优点是制作成本低，电路简单，使用方便，频率和幅值可调，具有实际的应用价值。

波形信号发生器，能产生某些特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等)信号，频率范围可从几个微Hz到几十兆Hz函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

运算放大器：简称“运放”,是具有很高放大倍数的电路单元。实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。运放的种类繁多，广泛应用于电子行业当中。

积分电路（积分器）：使输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路。最简单的积分电路由一个电阻R和一个电容C构成。若时间常数RC足够大，外加电压时，电容C上的电压只能慢慢上升。在t<。

滤波电路：尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。

 

2、设计方案

1.由滞回比较器和积分器构成方波三角波产生电路。

2.然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。

把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，就构成三角波发 生器和方波发生器。比较器输出的方波经积分器可得到三角波、三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波-方波发生器。通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下使用。

2.1 方波-三角波发生电路原理

该电路由滞回比较器和积分器组成，如下图所示：

电路由集成运放与R1、R2及一个滞回比较器和一个充放电回路组成。稳压管和 R3 的作用是钳位，将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值。滞回比较器的输出只有两种可能状态：高电平或低电平。滞回比较器的两种不同的输出电平使RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压将升高或降低，而电容上的电压又作为滞回比较器的输入电压，控制其输出端状态发生跳变，从而使 RC 电路由充电过程变为放电过程或相反。如此循环往复，周而复始，最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平周期性交替的矩形波即方波 。

滞回比较器输出的方波经积分器可得到三角波、三角波又触发比较器自动翻转形成方波，便构成了方波-三角波发生器。

2.2 滤波电路的选择

滤波电路分为有源滤波与无源滤波，也可分RC滤波电路、LC滤波电路等。

2.2.1 RC滤波与LC滤波

1, RC滤波器相对于LC滤波器来说，更容易小型化或者集成，LC相对体积就大多了；

2, RC用在低频电路中,LC滤波器应用的频率范围为1kHz～1.5GHz.一般用在高频电路中，由于受限于其中电感的Q值，频率响应的截至区不够陡峭。

3, RC滤波中的电阻要消耗一部分直流电压，R不能取得很大，用在电流小要求不高的电路中。RC体积小，成本低，滤波效果不如LC电路；LC滤波主要优点是高频环境下滤波效果好，缺点是体积大、笨重、成本高。用在要求高的电源电路中。

2.2.2 无源滤波与有源滤波

无源滤波电路：若滤波电路仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成。由于电阻以及电感的阻抗存在，功耗在同等情况下还是比有源滤波器要高一些，而且电路的延迟要要大一些。如图3.2.3-1，为简单的RC无源滤波器。

有源滤波电路：若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。有源滤波器的功耗相对而言会小很多，而且在通带内不会有衰减，而通过设定滤波器的Q值，可以改变放大倍数。如下图，为简单的一阶RC有源滤波器：

RC滤波器一般常与运算放大器组合使用，构成有源滤波器，多作为低频信号的滤波。

2.2.3 滤波阶数的选择

滤波级数越多效果也好，但是带来的是损耗和成本越高，所以不建议超过3级；

综合以上所述并权衡各个因素，鉴于本设计只需要将高于某频率的谐波滤去，因而选择低通滤波电路，在多次仿真实验之后，决定选择三阶RC压控电压源有源低通滤波器，且电阻的值应尽量减小，以减少直流电压的损耗。采用三阶低通滤波的正弦波发生电路图，如下图：

2.3 主要元件的选择

①选择集成运算放大器：

其一，方波前后沿与用作开关的器件 U1A 的转换速率 SR 有关，因此当输出方波的重复频率较高时，集成运算放大器 A1 应选用高速运算放大器。集成运算放大器 U2B 的选择：积分运算电路的积分误差除了与积分电容的质量有关外，主要是集成放大器参数非理想所致。

其二，为减小积分误差，应选用输入失调参数小、开环增益高、输入电阻高，开环带较宽的运算放大器。反相比例运算放大器要求放大不失真。因而选择信噪比低，转换速率 SR 高的运算放大器。经过芯片资料的查询，TL082 双运算放大转换速率 SR=14V/us。符合各项指标要求。

②选择稳压二极管稳压二极管Dz的作用是限制和确定方波的幅度，因此要根据设计所要求的方波幅度来选稳压管电压Dz。为输出对称的方波，通常应选用高精度的双向稳压管。

③电阻为 1/4W的金属薄膜电阻，电位器为精密电位器。 ④电容为普通瓷片电容与电解电容。

 

2.4 电路设计及仿真

波形发生器电路设计总电路图：

2.4.1 方波-三角波实现电路

2.4.2 正弦波发生电路

2.4.3 占空比可调电路

 

 

3、打板测试

在做好以上准备后就可以画PCD以及打板了（如果觉得麻烦也可以使用洞洞板直接连接元器件）。利用以上方案做出来的波形发生器，经过试验能够正确显示需要的波形。

 

4、元件清单

名称	型号	数量	作用
变压器	12Vx2	1	降压
三端可调正稳压器	LM317	1	可编程的电源输出
二极管	IN4007	6	保护电路/稳压
电阻/RES	R1/500Ω	2	调节电流电压
电位器	POT-LOG/5kΩ	1	调节电阻
电容	CAP/75nf	1	充放电/滤波
	CAP ELCE/2.2mf	1
	CAP ELCE/100uf	1
	CAP ELCE/2.2uf	1