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本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语课程设计（论文）任务及评语 院（系） ：电气工程学院 教研室： 测控技术与仪器 注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计 （论文） 题目 实用信号源的设计与制作 课 程 设 计 （ 论 文 ） 任 务 在给定电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。 基本要求基本要求 正弦波信号源： 信号频率：20hz20khz 可调 频率稳定度优于 10-3 非线性失真系数5% 脉冲波信号源： 信号频率：20hz20khz 可调 上升时间和下降时间1 s 平顶斜率：5% 脉冲占空比可调 两者在负载为 600 时，输出幅度 3v 发挥部分发挥部分 两者信号频率、可调步长：5 hz 两者输出辐度可调 300mv3v 降低正弦波非线性失真系数 进 度 计 划 指 导 教 师 评 语 及 成 绩 平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 教师签字： 年 月 日 本科生课程设计（论文） 摘 要 信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实 验室中经常使用的电子仪器之一。本文采用分立元器件设计了可输出正弦波和脉 冲波的信号发生器，介绍了信号发生器的工作原理、电路参数计算方法、电路仿 真结果，并进行了电路制作。 所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电 路、脉冲波调幅电路组成。采用 rc 振荡方式产生振荡信号，通过二极管 in4148 和运放 tl082 实现振荡信号稳幅，调幅之后输出正弦波信号，再经电压比较器和 调幅电路实现脉冲波的占空比和幅度的变化。采用了多级电阻和多级双联电位器 实现频率的分段和步进。 本文设计的信号发生器具有结构简单、成本低、体积小等特点，经仿真和实 际电路制作验证，其产生的正弦波和脉冲波频率、占空比、信号幅度可调，频率 步进5hz，矩形波可步进调整占空比, 不影响频率, 步长小于1%, 波形有较好的边 沿特性。 关键词：信号发生器；rc 震荡；频率歩进；占空比 本科生课程设计（论文） 目 录 第 1 章 绪论. 1 1.1 信号发生器的应用 1 1.2 信号发生器的分类 2 1.3 国内外信号发生器主要产品 4 1.4 设计任务及主要技术指标 4 第 2 章 总体方案设计 . 5 2.1 信号发生器的实现方法 5 2.2 本设计总体方案 6 2.3 正弦波信号生成方案 7 2.3.1 振荡信号的生成方法 7 2.3.2 rc 振荡原理与振荡条件 7 2.3.3 振荡电路的稳幅方法 9 2.4 频率步进方案 . 10 第 3 章 电路设计和仿真分析 11 3.1 rc 振荡与稳幅电路设计. 11 3.1.1 电路参数计算 . 11 3.1.2 电路仿真与分析 . 11 3.2 正弦波调幅电路设计 . 13 3.2.1 电路参数计算 . 13 3.2.2 电路仿真与分析 . 14 3.3 脉冲波生成电路设计 . 15 3.3.1 电路参数计算 . 15 3.3.2 电路仿真与分析 . 15 第 4 章 电路的制作和测试结果 17 4.1 电路的制作 . 17 4.2 测试结果 . 17 第 5 章 课程设计总结 19 参考文献 20 本科生课程设计（论文） 附录 电路图 21 附录 仿真电路图 22 本科生课程设计（论文） 1 第1章 绪论 1.1 信号发生器的应用 信号发生器又称信号源或振荡器，是教学科研及工程实践中最重要的仪器之 一，可广泛应用在电子研发、维修、测量、校准等领域。 信号发生器所产生的信号在电路中常常用来代替前端电路的实际信号，为后 端电路提供一个理想信号。由于信号源信号的特征参数均可人为设定，所以可以 方便地模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用。在 电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的 功能和特性是否达到设计要求。例如，用信号发生器产生一个频率为 1khz 的正弦 波信号，输入到一个被测的信号处理电路（功能为正弦波输入、方波输出） ，在被 测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。 高精度的信号发生器在计量和校准领域也可以作为标准信号源（参考源） ，待 校准仪器以参考源为标准进行调校。信号发生器可以用来调节电台和对讲机的灵 敏度，其基本原理就是使对讲机接收通道中的滤波槽路对有用的信号传输衰减达 到最小，从而使对讲机具有较高的灵敏度，这在一些业余电台改频改造和自制电 台中应用得比较多。信号发生器在此同样扮演的是模拟空中信号的角色。如果对 讲机本身具有接收信号强度 s 表或者测试点，可以用信号发生器输入一个使机器 信号表指示 30%左右强度的信号（容易看出调节的变化效果） ，然后按照对讲机维 修手册的说明，调节接收槽路，使信号表指示到最大，要是在调节过程中出现信 号表满表的情况，可以再把信号发生器的信号幅度调小一些。通常，为了保证整 个频段的灵敏度，平均需要采用在目标频段的高端、低端、中心多个频率点作为 参考点进行“统调”。 对于没有信号强度指示反馈的对讲机， 只能通过在低信噪比状 态下，监视信噪比的改善与劣化来调整接收槽路。其实，信号发生器除了可以调 节对讲机的接收灵敏度，也可以用来调校收音机和电视机，只要信号发生器能产 生相同类型的信号即可。 信号发生器可以用来查找电台、对讲机的接收通道故障。其基本原理是：由 前级往后级，逐一测量接收通路中每一级放大和滤波器，找出哪一级放大电路没 有达到设计应有的放大量或者哪一级滤波电路衰减过大。信号发生器在此扮演的 是标准信号源的角色。信号源在对讲机天线输入端输入一个已知幅度的信号，然 后通过超高频电压表或者频率足够高的示波器，从天线输入端口逐级测量增益情 况，找出增益异常的单元，再进一步细查，最后确诊存在故障的零部件。 本科生课程设计（论文） 2 信号发生器可以用来调测滤波器，典型的就是带通滤波器和电台上用的双工 器。调测滤波器的理想仪器二字线网络分析仪和扫频仪，其主要功能部件之 一就是信号发生器。在没有这些高级仪器的情况下，信号发生器配合高频电压测 量工具，如超高频毫伏表、频率足够高的示波器、测量接收机等，也能勉强调试 滤波器，其基本原理是测量滤波器带通频段内外对信号的衰减情况。信号发生器 在此扮演的是标准信号源的角色，信号发生器产生一个相对比较强的已知频率和 幅度信号，从滤波器或者双工器的 input 端输入，测量输出端信号衰减情况。带 通滤波器要求带内衰减尽量小，带外衰减尽量大，而陷波器正好相反，陷波频点 衰减越大越好。因为普通的信号发生器都是固定单点频率发射的，所以调测滤波 器需要采用多个测试点来“统调”。 如果有扫频信号源和配套的频谱仪， 就能图示化 地看到滤波器的全面频率特性，调试起来极为方便。 信号发生器可以用来校准对讲机和接收机的信号强度表，信号发生器在此扮 演的是标准信号源的角色。按照各机型的维修手册要求，在校准频点输入特定强 度的信号，此时校正 s 信号强度表的实际指示。在实际调整中，我们可以看到， 虽然国际上有接收机 s 信号表指示的参考场强标准，但现在很多厂家都执行自家 的标准，使 s 表指示偏大而指示范围偏小，给用户的感觉就是 s 表指示很容易满 表，暗示用户它的接收灵敏度高。 除了在射频方面的应用，信号发生器在音频领域也有广泛的应用。信号发生 器用于对讲机话音电路和调制电路的调测。信号发生器代替驻极体拾音器向对讲 机的“mic in”送入符合要求的 1khz 单音信号（输入幅度要求在维修手册会有标 明） ，然后使调频对讲机处于发射状态。正常情况下，在接收机中会听到 1khz 的 音频，通过调制度仪,可以测量出被测对讲机的调制幅度。由此,可以检测和调整调 频对讲机的语音调制电路（调制度一般在对讲机内部可调整） 。一般 25khz 间隔 fm 调制的对讲机,要求在 1khz 音频下调制度在 4.5khz 左右。调频对讲机调制过 小,语音会偏轻，调制过大,会影响话音,并增加占用带宽。有的发射无语音故障的对 讲机,也可以通过类似方法从 mic in 开始逐级测量语音信号状况。 信号发生器用于音频功放的维修。信号发生器在此扮演的是理想信号源的角 色。信号源产生一个适当幅度的音频正弦信号，作为音频功放的信号输入。通过 测量音频功放的输出幅度和波形,我们可以判断音频功放电路工作是否基本正常， 包括是否有自激等不正常状态以及失真情况。 1.2 信号发生器的分类 1. 按工作频段分类 本科生课程设计（论文） 3 分为超低频信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器、微波信号发生 器。 超低频信号发生器一般是指工作频率下潜到 0.1hz 以下的信号发生器， 一般用 于专业上的特殊用途。低频信号发生器一般是指工作频率主要在 1hz1mhz 的 信号发生器，多用于音频领域。高频信号发生器，也叫射频信号发生器，一般是 指工作频率从 100khz 到几百兆赫的信号发生器（目前频率高的可以达到几吉赫 兹） ，多用于通信和测量领域。微波信号发生器一般是指工作频率高达数吉赫兹到 几十吉赫兹的信号发生器，多用于雷达领域。 随着频率合成技术和电路的发展，很多信号发生器都可提供更大的频率覆盖 范围， 一机多能， 频段的划分渐渐成为一个模糊的观念。 例如常用的 agilent 33250a 函数发生器就可以工作在 1hz80mhz 的范围，包含传统的超低频、低频、音频 和 hf 频段。 2. 按频率产生机制分类 分为 lc 振荡器信号发生器、压控振荡信号发生器、频率合成信号发生器。目 前低端的廉价信号发生器多采用 lc 振荡器， 中低端的函数信号发生器多采用压控 振荡器，中高档的信号发生器多采用 dds 频率直接合成技术。随着 dds 技术的 普及和芯片价格的下降，越来越多的信号发生器采用 dds 技术，并有向入门级产 品发展的趋势。近期，很多一两千元的函数信号发生器也开始使用 dds 技术。 3. 按功率输出分类 分为简易信号发生器、标准信号发生器、功率信号发生器。 简易信号发生器在信号输出幅度控制上比较简单，只使用一个简易衰减器， 对输出的信号不能直接量化控制。标准信号发生器在信号输出幅度上有严格的控 制，能提供准确的输出幅度读数。一般高频标准信号发生器输出幅度在 -127 +23dbm。功率信号发生器则提供较大的功率输出，一般在+20dbm 以上，功率大 的可达几瓦到几十瓦。 4. 按照产生信号的类型分类 可以分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发 生器、专用信号发生器。 正弦信号发生器提供最基本的正弦波信号，可以作为参考频率和参考幅度信 号，用于增益和灵敏度的测量以及仪器的校准。常见的高频信号发生器和标准信 号发生器都属于此类。函数信号发生器可以产生各种函数波形信号，典型的有方 波、正弦波、三角波、锯齿波、脉冲等。函数信号发生器一般工作频率不高，频 率上限在几兆赫到一二十兆赫，频率下限很低，大多可以低于 0.1hz。函数信号发 生器用途非常广泛，科学实验、产品研发、生产维修、ic 芯片测试中都能见到它 本科生课程设计（论文） 4 的身影。脉冲信号发生器和随机信号发生器多用于专业场合。专用信号发生器是 产生特定制式信号的专用仪器，如常见的电视信号发生器、立体声信号发生器等。 高端信号发生器有矢量信号源、基带信号源，主要应用在航空、国防等尖端领域， 价格也非常昂贵。 1.3 国内外信号发生器主要产品 目前，国际高端信号发生器以美国 agilent（安捷伦）和德国 rohde&schwarz （罗德与施瓦茨）品牌产品为主。此外，tektronix（泰克）、aeroflex-ifr 和日本 anritsu（安立）的信号发生器也很好。国际高档函数信号发生器有 agilent 33210a 和 33220a，高端一些的产品是 agilent 33250a。高频（射频）信号发生器 主要是 agilent e4428c 和罗德与施瓦茨的 smc100a。 国产信号发生器品牌包括普源 rigol、盛普、扬中科泰以及中国台湾的固纬。 普源的 dg1022 是一款普及型的中档函数信号发生器，设计理念先进，外观时尚， 具有很好的性价比，dg1022 售价只有国际品牌同类产品的 20%左右，完全适合普 通研发和维修以及教学使用。 1.4 设计任务及主要技术指标 本设计要求在给定电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。 具体要求是： 基本要求基本要求 正弦波信号源：信号频率：20hz20khz 可调 频率稳定度优于 10-3 非线性失真系数5% 脉冲波信号源：信号频率：20hz20khz 可调 上升时间和下降时间1 s 平顶斜率：5% 脉冲占空比可调 两者在负载为 600 时，输出幅度 3v 发挥部分发挥部分 两者信号频率、可调步长：5 hz 两者输出辐度可调 300mv3v 降低正弦波非线性失真系数 注明：此设计与制作不得使用专用信号发生芯片 本科生课程设计（论文） 5 第2章 总体方案设计 2.1 信号发生器的实现方法 信号发生器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和实现 方法也不断向着智能化、软件化、可编程化发展。 信号发生器的实现方法通常有以下几种： 1. 采用分立元件实现 以集成运算放大器为应用核心，通过添加外围器件使之形成运算、正反馈电 路，并满足振荡条件，产生一定的波形。此方法多作为单函数发生器，体积较大， 频率不高，其工作很不稳定，故障率较高且不易调试。 2. 采用专用信号发生器芯片实现 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. 用单片集成芯片的函数发生器实现 该类函数发生器可产生较高的频率、信号调试方便的各种波形。在该类函数 发生器中美国马克西姆公司开发的 max038 函数信号发生器优势明显，它克服了 一般芯片的缺点，可以达到更高的技术指标。作为高频精密函数信生器 ic， max038 精度和频率很高，所以常用在频率合成器、压控振荡器、脉宽调制器等 电路的设计上。 4. 用频率合成技术实现 频率合成技术是将一个标准信号频率经过较复杂的算术运算， 得到具有相同精 度和稳定度的大量离散频率信号（有点像傅里叶级数展开的想法） 。应用频率合成 技术适于要求信号有高精度、高稳定度的频率，用常规的信号发生器无法满足要 求时使用，例如产生用于通信的高频信号。 5用 vxi 总线实现 在检测技术、自动控制技术、数字系统故障诊断领域常用的 vxi 总线作为任 意数字信号发生器。由于经常需要产生的数字序列具有非周期性任意编码的特点， 基于 vxi 总线的任意数字信号发生器作为激励信号源，是一个单槽、b 尺寸、 本科生课程设计（论文） 6 a16/d16、寄存器模块，可以实现上述功能。8 路数字信号均可独立地任意编辑， 输出信号参数最小脉宽为 25ns。它是仪器测量领域的前沿技术，具有灵活性强、 模块化、即插即用、数字吞吐能力强的特点，可以灵活地组建自动测试系统3。 2.2 本设计总体方案 由于本设计要求不能采用专用信号发生芯片和可编程器件，并且要求达到的 频率范围为 20hz20khz，为低频信号发生器，因此拟采用方法一，即由分立器 件构建频率产生单元，产生振荡后再实现正弦波和脉冲波，这种方法有以下两种 信号输出方案。 方案一：如图2.1所示。 图 2.1 信号输出方案一 方案二：如图2.2所示。 图 2.2 信号输出方案二 考虑电路结构和实现方便，拟采用方案二。 系统总体框图如图 2.3 所示。所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正 弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。频率产生单元由振荡电路 和电压放大电路构成，能够产生频率可调的正弦波信号，正弦波信号的幅度调整 后经电压比较器和脉冲调幅电路输出要求的脉冲波。 图 2.3 系统总体框图 频率产生单元 三角波 正弦波 方波 振荡电路 稳幅电路 正弦波调幅电路 电压比较电路 脉冲调幅电路 正弦波 脉冲波 频率产生单元 正弦波 方波 本科生课程设计（论文） 7 2.3 正弦波信号生成方案 信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率设置精度、相位噪声、信号 频谱纯度是信号发生器性能的重要指标，都与频率产生单元有关，在本设计中频 率产生单元首先生成正弦波信号，正弦波信号的频率大小直接影响后面脉冲波信 号的步进，因此正弦波信号的产生方法十分重要。 正弦波信号的生成包括振荡和稳幅两个过程。 2.3.1 振荡信号的生成方法 振荡信号可以由三种形式的振荡器产生。 1. lc 振荡器 这种振荡器，由于lc 体积大、频率变化范围小、品质因数q 值较小，故一 般不太适合用于低频信号振荡器，而在一般高频信号振荡器中使用较多。 2. 差频振荡器 由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号，此差频信号经 过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。这种振荡器频率覆盖面宽，缺点是受 高频基准振荡器频率稳定度的影响很大，所以输出频率稳定性较差，在低频端尤 为显著，使用时需要经常校正。 3. rc振荡器 rc 振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，不仅降低了成本，而且 还具有较高的频率稳定性，调节使用较方便，因而在低频信号发生器中被广泛地 应用。典型的rc 振荡器叫做文氏电桥振荡器。 文氏电桥振荡器的优点是在同一频段内比lc 振荡器的频率范围宽， 其频率变 化比值（ 以最高频率与最低频率之比表示）可达101，而lc 振荡器只有31 左右。振荡波形是正弦波，失真小。频率稳定性高，在所有工作频率范围内，振 幅几乎等于常数。低频信号发生器中多采用这种电路。 因此设计中采用 rc 振荡器产生正弦振荡信号。 2.3.2 rc 振荡原理与振荡条件 正弦波产生电路一般应放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路几个基本 组成部分。判断一个电路是否为正弦波振荡器，就看其组成是否含有上述四个部 分。 1. rc 桥式振荡电路的构成 rc 桥式振荡电路如图 2.4 所示。rc 串并联网络接在运算放大器的输出端和 同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外 rf、r1 接在运算放大器的输 本科生课程设计（论文） 8 出端和反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路。由图 2.5 可见，正 反馈电路与负反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的输入端和输出端分别 跨接在电桥的对角线上，所以把这种振荡电路称为 rc 桥式振荡电路。 可见,当 =0=1/rc 时， fu ou 达到最大值且等于 1/3, 而相移 =0，输出电 压与输入电压同相，所以 rc 串并联网络具有选频作用，此时输出电压频率为 rc fo 2 1 （2-1） 图 2.5 rc 桥式振荡电路 2. 正弦振荡条件 判断正弦振荡的一般方法是： （1）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有可能 振荡； （2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。 （3）分析是否满足幅度条件, 检验 ，若 ，则不可能振荡； ，能振荡，但输出波形明显失真； ，产生振荡。振荡稳定后 ，再加上稳幅措施，振荡稳 定，而且输出波形失真小。 对于图 2.5，输入信号由同相端输入（即振荡信号由此输入） ，根据虚短、虚 断可求得负反馈闭环电压放大倍数为： （2-2） 振幅条件： （2-3） 相位起振： （2-4） fa 1 fa 1 fa 1 fa 1 fa 本科生课程设计（论文） 9 2.3.3 振荡电路的稳幅方法 1）热敏电阻稳幅 rc 桥式振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻 rf 实现的。rf 是负温度系数热敏 电阻，当输出电压升高，rf 上所加的电压升高，即温度升高，rf 的阻值减小，负 反馈增强，输出幅度下降，反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放 置在 r1 的位置。 若该电路 rf 为一固定电阻, 放大器 au 为常数。 起振时：则要求3a 振荡平衡：则要求3a，只有当运算放大器进入非线性工作区才能使增益下 降达到平衡条件,从而产生严重失真现象。 若该电路 rf 为一负温度系数的热敏电阻 起振时：由于信号较弱，热敏电阻 rf 处于冷态,阻值比较大，放大器 au 值较 大满足3a，很快振荡建立。 振荡平衡：随信号增强,热敏电阻 rf 温度升高,阻值减小，放大器 au 值自动 下降,在运算放大器还末进入非线性工作区时,达到平衡条件3a。 2）二极管稳幅 图2.6 二极管稳幅电路及原理 图1 中二极管vd1 和vd2 用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。起振时， 由于集成运放的输出电压很低，vd1 和vd2 接近于开路， 负反馈并联电路的等效 电阻近似等于rf， af 1，电路产生振荡随着集成运放输出电压的增大，当rf 上的分压超过二极管的正向导通电压时，流过rf上的电流被分流，负反馈支路的 反馈系数增大，迫使af逐渐等于1，最终电路进入稳幅工作状态。 考虑到调试的方便，设计中采用二极管稳幅方法。 rf r c c r uo r1 vd1 vd2 (a) 电路 i u o a b d c (b) 稳幅 原理 本科生课程设计（论文） 10 2.4 频率步进方案 由于要求输出的信号频率范围为 20hz20khz，频率步进为 5hz，为实现频率 的细微调整， 尤其是 10khz 以上频率的微调， 将频率按照 10 倍频程分为 3 段： 20 200200020khz，每个频段的 rc 振荡电容分别为 0.1f、0.01f、0.001f， 由拨码开关 j1 实现电容的接入。 设 rc 振荡电路串、并支路的电阻分别为 1 r和 2 r，电阻分别为 1 c和 2 c。若 r1 =r2=r，c1=c2=c，则电路的振荡频率为 rc f 2 1 0 （3-1） 设频率由 1 f步进到 2 f，步长为 5hz，则电阻 r 的变化量为 ) 11 ( 2 1 21 ffc r （3-2） 在不同频段（c 为不同值）时电阻 r 的取值和变化见表 3-1。 表 3-1 频率变化与电容、电阻的关系 频率范围 频率（hz） 电阻 r（） 频率增加 5hz 时电阻的变化（） c=0.1f 频率：20200hz 20 80k 15.924k 50 31.85k 2.9k 100 15.924k 760 200 7.962k 204 频率范围 频率（hz） 电阻 r（） 频率增加 5hz 时电阻的变化（） c=0.01f 频率：2002khz 200 80k 1.942k 500 31.85k 315 1k 15.924k 80 2k 7.962k 20 频率范围 频率（hz） 电阻 r（） 频率增加 5hz 时电阻的变化（） c=0.001f 频率：2k20khz 2k 80k 198 5k 31.85k 32 10k 15.924k 8 20k 7.962k 2 通过上面的分析计算知在不同的频段，当频率 5hz 步进时，电阻 r 的变化不 同，大到十几 k，小到几，由于精度所限，大多数双联电位器的精度为 5%， 因此为实现频率的微小步进，应将电阻分档，实现频率由粗调到微调的细化。调 频时，首先调节 100k的双联电位器，再逐级调节 10 k、1 k、100、20 的电位器，这样可实现频率 5hz 步进。 本科生课程设计（论文） 11 d1 1n4148 d2 1n4148 r5 5.1k u1a tl082cm 3 2 4 8 1 vcc 12v vee 12v r3 2.7k r4 9.1k r101100k key=a45% r10210k key=a50% r1031k key=a50% r104100 key=a50% r11 5.1k r10520 key=a50% c1 0.001 f c2 0.01 f c3 0.1 f j1 r201100k key=a45% r20210k key=a10% r2031k key=a50% r204100 key=a50% r21 5.1k r20520 key=a50% c4 0.001 f c5 0.01 f c6 0.1 f j2 va vb va 第3章 电路设计和仿真分析 本设计采用的设计方案为 rc 文氏桥振荡-稳幅振荡-正弦波调幅-电 压比较-脉冲波调幅-整形。 3.1 rc 振荡与稳幅电路设计 3.1.1 电路参数计算 图 3.1 为 rc 文氏桥振荡与稳幅电路。设计上采用了多级电阻和多级双联电位 器实现频率的分段和步进。 图 3.1 rc 振荡电路 3.1.2 电路仿真与分析 下面以 multisim11.0 为工作平台，分析 rc 桥式正弦波振荡电路。 本科生课程设计（论文） 12 首先创建实验电路。运行 multisim11.0 软件进入主窗口，将原理图中的所有元 件和仪器从元件库中调出并设置好参数，编辑电路如图 3.1，图中电路符号均采用 北美标准（ansi）。加上示波器和频率计，图 3.1 中 rc 文氏桥输出的电压接在示 波器的 channel a，稳幅电路的输出信号 vb 接在示波器的 channel b 和频率计上。 打开示波器面板， 将 time base 设置为 5 ms/div， 显示方式设置为 y/t， channel a 和 channel b 设置为 5 v/div。启动仿真开关后，若振荡没有建立，逐级调节双联 电位器，直到波形无明显失真并满足频率要求。图 3.2 为 rc 振荡起振图形，此时 c=0.01f，100k的电位器为 30k，其他电位器为 0。图 3.2 中振幅较大的 是集成运放输出电压 vb 的波形，振幅较小的是集成运放同相输入端电压 va 的波 形。图 3.3、 3.4 分别是 c=0.01 f r=35.1k时的正弦波稳幅输出图形和频率计的 输出值，此时频率为 452hz，频率的稳定度很好。 图 3.2 c=0.01f 时 r=35.1k时的起振过程 图 3.3 c=0.01f 时 r=35.1k时的稳幅图形 本科生课程设计（论文） 13 图 3.4 c=0.01f 时 r=35.1k时的频率计的输出 减小 100k的电位器的值，可实现频率步进，如图 3.5 所示，可见可以实现 5hz 的步进。 图 3.5 c=0.01f 时 r=35.1k时的频率计的输出 3.2 正弦波调幅电路设计 3.2.1 电路参数计算 正弦波调幅电路如图 3.6 所示。 图 3.6 正弦波调幅电路 vb r8 10k u2a tl082cm 3 2 4 8 1 r1410k key=a 50% r12 5.1k vcc 12v vee -12v c7 0.1 f r13 1k key=a 35% r10 600 r7 5.1k r6 3k j3 key = space c8 0.1 f vc vd 本科生课程设计（论文） 14 经仿真分析知，稳幅电路输出的电压在v3 . 8之间波动，为实现 300mv3v 的输出要求，在稳幅电路后设计了分压电路，分压后的输出电压 vc 为： vbvb rr r vc 7 . 2 1 67 6 (3-3) 该分压电路由开关 j3 控制其接入电路，当稳幅电路输出的电压较大时，按下 开关 j3，接入分压电路，降低 vc 后，再由后面的调幅电路调整输出信号的幅度。 在运放 tl082 的负反馈支路中设置了幅度粗调电位器 r14 和细调电位器 r13，可 实现输出电压的精确调整。 3.2.2 电路仿真与分析 先调节幅度粗调电位器 r14，再调节细调电位器，使 r13+r14=1.1k，仿真 后输出信号 vd 峰峰值为 290mv 左右，当 r13+r14=11 k，输出信号 vd 峰峰值 为 2.90v 左右，图 3.7、3.8 方便为其仿真图形。 图 3.7 r13+r14=1.1k时 vd 的仿真图形 图 3.8 r13+r14=1.1k时 vd 的仿真图形 本科生课程设计（论文） 15 r23 10k r20 10k r16 10k r24 10k key=a 65% vcc 12v vcc 12v vcc 12v vee -12v vcc 12v vee -12v r9 10k u3a tl082cm 3 2 4 8 1 r2510k key=a 75% r17 600 r18 5.1k r19 1k key=a 25% u1b tl082cm 5 6 4 8 7 vd ve vf vg 3.3 脉冲波生成电路设计 3.3.1 电路参数计算 脉冲波生成电路图如图 3.9 所示。其中第一个运放是电压比较器，其输出电压 为正弦波调幅电路的输出电压 vd 与 ve 比较的结果，当 vd 大于 ve 时，运放输出 满幅值+12v，当 vd 小于 ve 时，运放输出-12v。电位器 r24 用于调整比较电压 ve 的大小，以便改变输出脉冲波的占空比。 vv k rr ve1224 30 2024 (3-4) 第二个运放用来调节脉冲波的幅度，与正弦波幅度的调节方法相似。 图 3.9 脉冲波生成电路 3.3.2 电路仿真与分析 当r24=5k时， 占空比为50%， 仿真图形如图3.10所示， 上升时间为9.416s， 下降时间为 11.104s，若在输出信号后加上触发电路整形，则波形会更理想。 图 3.10 当 r24=5k时，占空比为 50%的仿真图形 本科生课程设计（论文） 16 改变 r24 的值，占空比发生变化，如图 3.11 所示。 图 3.11 占空比为 22%的仿真图形 本科生课程设计（论文） 17 第4章 电路的制作和测试结果 4.1 电路的制作 制作的系统如图 4.1 所示。运放的v12电源由两通道稳压电源提供。 图 4.1 系统照片 4.2 测试结果 对图 4.1 所示的系统采用 60m 数字示波器进行测试后的输出如图 4.2、4.3 所 示。 图 4.2 正弦波输出测试 本科生课程设计（论文） 18 图 4.3 脉冲波输出测试 从结果看，20hz20khz 能够实现，频率步进可实现 5hz，某些频段还小于 5hz，输出幅度可连续调节，幅度在 300mv3v 之间。 存在问题是低频段 20hz200hz 时脉冲波上升时间为 11 微秒左右， 还需要整 形等电路调整脉冲波。 本科生课程设计（论文） 19 第5章 课程设计总结 本次设计从电路原理图设计、参数计算、仿真到实际的电路制作、调试，信 基本完成了任务要求。采用分立元器件设计了可输出正弦波和脉冲波的信号发生 器，所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电 路、脉冲波调幅电路组成。 通过本次设计了解了rc振荡和稳幅的原理，了解了信号发生器的特点和参数 特性等，对未来的教学和科研工作是较好的促进。 本科生课程设计（论文） 20 参考文献 1 康华光.电子技术基础模拟部分m.5 版.北京：高等教育出版社，2006： 454466 2 蒋卓勤，邓玉元multisim 2001 及其在电子设计中的应用m西安：电子科 技大学出版社，2003142144 3 田逸 一种利用eda 技术快速理解rc 桥式正弦波振荡电路的教学方法j 重 庆职业技术学院学报，2008，14(2)：6465 4 朱兆优,林刚勇,马善农,等. 电子电路设计技术m . 北京:国防工业出版社， 2007 5 杨建军. dds + pll 组合系统及实例j . 电讯技术，2009，41 (1) :72274. 6 杨名利, 谢玮, 徐继文 . 简易低频信号发生器设计j. 机床与液压. 1995,11(6):17-28. 本科生课程设计（论文） 21 附录 电路图 d1 1n4148 d2 1n4148 r5 5.1k u1a tl082cm 3 2 4 8 1 vcc 12v vee -12v r3 2.7k r4 9.1k r101100k key=a70% r10210k key=a100%