毕业设计（论文）-简易信号发生器的设计.docVIP

简易信号发生器的设计目录摘要abstract第1章 前言3第2章 信号发生器的发展现状42.1信号发生器的基本介绍.42.2信号发生器的发展现状及趋势.4第3章 方案的设计5 3.1 方案的选择.5 3.2电路框图及工作原理5第4章 单元电路设计.64.1直流稳压电源电路.6 4.1.1电路工作原理.6 4.2 正弦波振荡电路7 4.2.1 电路工作原理.7 4.2.2参数计算.94.3 电压比较器.104.3.1电路工作原理.104.3.2参数计算.114.4 积分电路.124.4.1电路工作原理.124.4.2参数计算.12第5章 整体电路仿真.145.1仿真方法145.2仿真结果.15第6章 结束语.17参考文献答谢词附录摘 要信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、方波、正弦波的电路。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。本设计通过对信号发生器的原理以及构成进行分析，设计了正弦波方波三角波简易信号发生器。设计中首先确定了电路方案：由直流稳压电源电路、文氏振荡器、迟滞比较器、积分器组成；接着对各单元电路的的工作原理进行了分析，由直流稳压电源电路提供所需电压，文氏振荡器产生正弦波，迟滞比较器产生方波，积分器产生三角波，同时对电路中各元器件的参数进行了计算。最后利用相关仪器进行测试，测试达到了设计要求。关键词：直流稳压电源电路；文氏振荡器；迟滞比较器；积分器 abstractsignal generator is a kind of can produce much waveform, such as triangle wave, square wave, sine wave circuit. signal generator in the circuit experiment and test equipment in a very wide range of purposes. the design of the principle of the signal generator and structure analysis, design of sine wave-square wave-triangle wave simple signal generator. design of the first set by a dc voltage circuit scheme: power supply circuit, venturi oscillator,hysteresit comparator, integrator composed; then each unit circuit of the principle is analyzed by dc stabilized voltage power supply circuit, provide the voltage required, venturi oscillator produce sine wave, hysteresit comparator produce square wave, integrators produce triangle, and at the same time in the circuit to wave the parameters of each component was calculated. finally, using the related instrument testing, testing meet the design requirements.keywords: dc stabilized voltage power supply circuit; venturi oscillator; hysteresit comparator; integrator 第1章 前言能产生多种波形，如三角波、方波、正弦波的电路被称为信号发生器，又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有广泛的应用。例如在通信、广播、电视系统中都需要射频发射，这里的射频波就是载波，把音频、视频信号和脉冲信号运载出去，就需要产生高频振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断等，都需要功率或大或小、频率或高或低的信号发生器。信号发生器的实现方法通常有:（1）用分立元件组成的信号发生器，（2）可以由晶体管、运放ic等通用器件制作，更多的则是用专门的信号发生器ic产生。早期的函数信号发生器ic，如l8038、ba205、xr2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300khz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。（3）利用单片集成芯片的信号发生器能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。（4）用专用直接数字合成dds芯片的信号发生器：能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。采用分立元件产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，先产正弦波，根据周期性的非正弦波与正弦波所呈的某种确定的函数关系，再通过迟滞比较器电路将正弦波转化为方波，经过积分电路后将其变为三角波。也可以先通过迟滞比较器产生方波，在经过密尔积分电路产生三角波，最后通过差分放大电路经三角波转换成正弦波。本次设计采用分立元件产生正弦波、方波、三角波。电路的原理部分的设计，采用单元电路的设计方法，对直流稳压电源电路、文氏振荡器、迟滞比较器、积分器四部分单元电路进行原理的分析，参数的计算，最后通过protel绘图软件将电路绘制出来。画出仿真图，并对仿真图进行调试，观察效果。第2章 信号发生器的发展现状2.1信号发生器的基本介绍信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器，信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。2.2信号发生器的发展现状及趋势作为基础测量仪器的信号发生器随着用户的需求而不断发展。信号源实质上就是一个扫频示波器或合成信号源，并具有基本的调制功能。现在是数字化时代，作为最基本的测量工具，测量仪技术指标上也不断提高。如精度高、工作频带宽、误差小等。能够满足不同层次用户的测试要求。近几年，数字化仪器在迅速发展，我国也在不断研究推出各种新型数字化仪器。随着电子技术的快速发展，新材料新器件层出不穷，开发新款式信号发生器，器件的可选择性大幅增加，例如icl8038就是一种技术上很成熟的可以产生正弦波、方波、三角波的主芯片，利用单片机制作智能仪表也成为一种趋势。第3章 方案的设计 3.1 电路方案的选择信号发生器实现的方法通常有以下几种：（1）可以由晶体管、运放等通用器件制作，更多的则是用专门的信号发生器ic产生。早期的信号发生器ic，如icl8038、ba205等，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。（2）用分立元件组成的简易信号发生器：价格比芯片实惠，结构简单，容易实现。由分析选择方案（2）。3.2电路框图及工作原理1电路框图正弦波振荡电路比较器积分电路图3-1 电路组成框图2电路工作原理根据图3-1分析，正弦波振荡电路可以产生正弦波，正弦波振荡电路的输出端作为电压比较的输入端，比较器又可产生方波，比较器的输出端可作积分器的输入端通过积分器输出三角波。第4章 单元电路设计 4.1直流电源电路 4.1.1电路工作原理 图4-1 直流稳压电源方框图小功率的稳压电源由四部分组成：（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220v交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压、温度、负载的变化而变化。图4-2整流电路图4-3 输出波形图整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图4-2所示。在u2的正半周内，二极管d1、d2导通，d3、d4截止；u2的负半周内，d3、d4导通，d1、d2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻rl，且方向是一致的。电路的输出波形如图4-3示。在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即ivd=1/2 io。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(u2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电感器和负载电阻串联或电容器与负载电阻并联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，全波整流电路直流输出电压：uo1=1.2 u2，直流输出电流： （i2变压器副边电流的有效值。），稳压电路可选集成三端稳压器电路。总体原理电路见图4-4:图4-4 直流稳压电路原理图4.2 正弦波振荡电路4.2.1 电路工作原理1正弦波产生电路正弦波振荡电路能产生正弦波信号，它是在放大电路的基础上加上正反馈网络形成的。为了获得单一频率的正弦波，正弦波振荡电路还必须包含选频网络。为了得到稳定的等幅振荡信号，正弦波振荡电路还要有一个稳幅环节，因此，正弦波振荡电路由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节组成。按选频网络组件不同，可分为rc、lc、石英晶体正弦振荡电路。rc振荡电路用来产生几hz至1mhz的声频和超声频信号，lc振荡电路用来产生几十khz至几百mhz的高频和超高频信号，石英晶体正弦振荡电路具有极高的频率稳定度。本设计选用rc振荡电路。2r c桥式正弦振荡电路 rc桥式正弦振荡电路如图所示。其中r1、c1和r2、c2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。r3、rw及r4组成负反馈网络，调节rw可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。图4-5 r c桥式振荡电路为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管d1，d2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻r4两端的电压低，二极管d1、d2截止，负反馈系数由r3、rw及r4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管d1、d2在正负半周轮流工作，其动态电阻与r4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。为了维持电路输出，必须使为了使电路能够振荡，必须使( 式4-6)当：r1=r2=r，c1=c2=c时电路的振荡频率： 起振的幅值条件:4.2.2 参数计算1.根据设计要求的振荡频率1khz，计算rc之积即 2确定r、c值为使选频网络的选频特性尽量不受运放输入、输出电阻的影响，应按下列关系选r的值，即 ri为运放同相输入电阻（约几百千欧以上），r0为其输出电阻（约几百欧下）因此，可选r=15k,则c的值为取标称值c=0.01f。注意选用稳定性较好、精度较高的电阻和介质损耗小的电容。所以r1=r2=r=15 k,c1=c2=c=0.01f;3确定r3, rf值电阻r3可根据式(4-6)来确定，通常取rf=2.1r3，这样既能保证起振，又不引起严重的波形失真。另一方面，为了减小运算放大器输入失真电流及其漂移的影响，应尽量满足r=r3/rf，于是可导出r= r3/2r3 =15k 所以r3 =10k (取标称值) rf=2.1r3=20k (取标称值)4.3 电压比较器4.3.1 电压比较器原理1方波产生电路电压比较器是一种常见的信号幅度处理电路，在越限报警、波形整形、信号产生、模数转换等各方面均有广泛应用。常用的方波产生电路有过零比较器、窗口比较器、迟滞比较器。由于迟滞比较器具有既可以将干扰信号滤除而又使电路正常工作的优点，所以本次设计选用该种电压比较器。迟滞比较器的电路如图4-7）所示。其输入信号ui加在运算放大器的反相输入端,同相输入端接入参考电压uref，在输出端与同相输入端接入正反馈电阻r6,在输出回路还接有起限幅作用的双向稳压二极管。使输出电压钳制在-uz+uz。 图4-7 迟滞比较器在电路中，引入电压的增加，当ui很低时，运放a2输出电压的增加，当ui达到上门限电压uth+时 （4-8）比较器发生器翻转，输出低电平。此时输出电压当输出电压由高逐渐降低时，要一直降到下门限电压 （4-9）比较器才有发生翻转，比较器的输出转变为高电平。则门限宽度为 （4-10）当输出信号在两个门限电压之间时，比较器的输出不发生变化。若干扰信号就在这两个门限电压之间，则电路的输出没有变化，相当于把干扰信号给滤除掉了。迟滞比较器的特性还常用电压传输特性来表示，（ ut+ -ut-）称为回差电压，回差电压的值可以按照电路工作地点的干扰情况通过实验加以确定，以有效地滤除干扰。在生产实践中，经常需要对温度、水位进行控制，这都可以用迟滞比较器来实现在一定的温度范围内或水位范围内的控制。同时迟滞比较器还经常用于信号整形，如将一波形较差的矩形波整形成较理想的矩形波。3.2.2 参数计算1确定dw根据题目要求：up-p=10v，up-p=(uz+ud)，选择uz=5v，即选择uz的稳压值为5v稳压二极管。选择in4733，其稳压值为5.1v，iz=49ma。2r7为稳压二极管限流电阻设uth=1v，则r7=7k。根据公式（4-10）有2r5/（r5+r6 ）=1/uz+ud , 取r6=10k，r5=91k，r10=9.1k。4.4积分电路4.4.1 电路工作原理求对某个信号进行一般的波形变换，可选用基本积分电路。基本积分电路如图3-3所示。图4-11 积分电路输出电压 （4-12）上式表明，uo与ui成积分关系，负号表示输出电压uo与输入电压ui反相，r8c3称为积分时间常数。当ui为阶跃电压时，输出电压最后达到负饱和值。当ui一定时，uo随着电容元件的充电按指数规律增长，其线性度较差。采用集成运算放大器组成积分电路，由于充电电流量是恒定的ifi1ui/r1的故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。4.4.2 参数计算1确定时间常数=r8c3的大小决定了积分速度的快慢。由于运算放大器的最大输出电压uomax为有限值（通常uomax=10v左右），因此，若的值太小，则还未达到预定的积分时间t之前，运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。因此，当输入信号为正弦波时，的值不仅受运算放大器最大输出电压的限制，而且与输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信号，频率越低的值应该越大。2选择电路元件（1）当时间常数=r8c3确定后，就可以选择r8和c3的值，由于反相积分电路的输入电阻ri=r8，因此往往希望r8的值大一些。在r8的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的c3值，而且c3的值不能大于1f。=0.5ms取r8=10k，则c3=0.05f，这里取c3=0.051f。（2）确定r9r9为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取r9=r8。如r8=ri=10k，r8也就是输入电阻。3选择运算放大器为了减小运放参数对积分电路输出电压的影响，应选择：输入失调参数（uio、iio、ib）小，开环增益（auo）和增益带宽积大，输入电阻高的集成运算放大器a741。第5章 整体电路仿真5.1仿真方法通过对设计的电路进行实物模拟和调试。一方面是可以验证所设计的电路是否能达到设计要求的技术指标，另一方面，通过改变电路中元器件的参数，使整个电路性能达到最佳值。以往的电路设计模拟，常常是制作一块摸拟试验板，在这块板上用买实际元器件进行试验和调试。取得数据后，再来修正原设计的电路参数，直至达到设计提出的要求。但由于受工作场地、仪器设备和元器件品种、数量的限制，有些试验往往无法及时完成。这样既影响工作的顺利进行，又束缚了设计人员的手脚。为了克服上述困难。加拿大interactive image technologies公司于20世纪80年代末、90年代初推出了专门用于电子线路仿真的“虚拟电子工作台”（electronics workbench）软件，它可以将上述不同类型的电路组合成混合电路进行仿真。目前已在电子工程设计、电子类课程教学等领域得到了广泛的应用。electronics workbench是一种非常优秀的电子技术实训工具，因为掌握电子技术，不仅需要理论知识，而旦更重要的是通过实际操作来加深对内容的理解。作为电子类相关课程辅助教学和实训手段，它不仅可以弥补实验仪器、元器件缺乏带来的不足，而且排除了原材料消耗和仪器损坏等因素，可以帮助学生更快、更好地掌握课堂讲述的内容，加深对概念、原理的理解，弥补课堂理论教学的不足，而且通过电路仿真可以熟悉常用电子仪器的测量方法，进一步培养学生的综合分析能力、排除故障能力和开发、创新能力。electronics workbench最明显的特点是仿真的手段切合实际。选用元器件和仪器与实际情形非常相近。绘制电路图需要的元器件、电路仿真需要的测试仪器均可直接从屏幕上选取，而且仪器的操作开关、按键同实际仪器的极为相似，因此特别容易学习和使用。而且通过电路仿真，既掌握了电路的性能，又熟悉了仪器的使用方法。electronics workbench的元器库不仅提供了数千种电路元器件选用，而且还提供了各种元器件的理想值，因此仿真的结果就是该电路理论理想值。这对于验证电路的原理和电子类课程的教学与实验极为方便。同时也可以新建或扩充已有的元器件库，而且建库所需的元器件参数可从生产厂商的产品使用手册中查到，因此大大方便了使用人员。5.2仿真结果通过ewb对电路进行仿真，结果如下：1 正弦波仿真波形正弦波仿真波形如图5-1实测vp-p22.2v，与设计要求值vp-p=22v有一定误差，但能满足要求。图5-1正弦波仿真波形2方波仿真波形方波仿真波形如图5-2实测vp-p10.9v与设计要求值vp-p=11v有一定误差，但能满足要求。图5-2方波仿真波形3 三角波仿真波形三角波仿真波形如图4-3所示。实测vp-p5.06v与设计要求值vp-p=5v有一定误差，但能满足要求。5-3 三角波仿真波形第6章 结束语经过这段时间的不懈努力，完成了信号发生器的设计。通过这次设计，我了解了信号发生器的用途及工作原理，熟悉了信号发生器的设计步骤，锻炼了自己实践能力，培养了独立设计能力。同时，学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，磨炼了自己的心理素质。此业设计是对我专业知识