信号与系统课程设计 函数发生器 Multisim.pdf

电气与电子工程学院电气与电子工程学院 信号与系统 信号与系统 课课 程程 设设 计计 设计题目设计题目 信号发生器的设计与实现信号发生器的设计与实现 指导老师指导老师韩韩 班班级级气卓气卓 15011501 班班 姓姓名名hwhuanghwhuang 学学号号U201U201 4343 完成日期完成日期20172017 年年 8 8 月月 2222 日日 目录目录 1 1 函数信号发生器的电路设计原理及方案函数信号发生器的电路设计原理及方案 1 1 1 1 原理框图 1 1 2 函数发生器的总方案 1 2 2 设计的目的及任务要求设计的目的及任务要求 1 1 2 1 课程设计目的 1 2 2 课程设计任务要求 1 3 3 各组成部分的工作原理各组成部分的工作原理 2 2 3 1 正弦波产生电路的工作原理 2 3 2 方波产生电路的工作原理 2 3 3 三角波波产生电路的工作原理 2 3 4 锯齿波产生电路的工作原理 3 4 4 电路形式及参数计算电路形式及参数计算 4 4 4 1 电路原理设计图 拟设计频率 994HZ 应用 multisim 绘制 4 4 2 电路设计过程 4 4 3 电路参数计算 4 5 5 电路仿真及结果分析电路仿真及结果分析 6 6 5 1 在设计频率 994HZ 下输出波形瞬态仿真结果 应用 Multisim 仿 真 6 5 2 在设计频率 994HZ 下各级输出电压幅值 7 6 6 电路优化及改进要求电路优化及改进要求 7 7 6 1 信号发生器频率调节要求 7 6 2 信号发生器幅值调节要求 7 7 7 信号发生器调频 调幅功能实现及仿真信号发生器调频 调幅功能实现及仿真 7 7 7 1 极限频率的确定 7 7 2 高频信号的诸多限制 8 7 3 调频电路设计 9 7 3 正弦波调频 调幅电路瞬态仿真及结果分析 10 7 4 正弦波信号幅值瞬态仿真 13 7 5 方波信号频率 幅值仿真测试 13 7 6 三角波发生电路调频及调幅方式 14 8 8 电路改进电路改进 高速运放的应用高速运放的应用 1515 参考文献参考文献 1515 附录一附录一 1616 附录二附录二 1717 1 1 函数信号发生器的电路设计原理及方案函数信号发生器的电路设计原理及方案 1 1 原理框图原理框图 图 1 图 1 函数发生器原理框图 1 2 函数发生器的总方案函数发生器的总方案 本次设计采用由集成运算放大器与电阻 电容 二极管等共同组成的正 弦波 方波 三角波函数信号发生器的设计方法 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 方波 再将 三角波形变成正弦波或将方波变成正弦波等等 本次设计采用先产生正弦波 方波 再将方波变换成三角波的电路设计方法 由桥式振荡电力路和迟滞 比较器组成正弦波 方波产生电路 迟滞比较器输出的方波经积分器得到三 角波 应用桥式振荡电路 其振荡幅度稳定 波形失真比较小 改变频率方 便 是作为信号发生的一个好选择 迟滞比较器将正弦波信号进行比较 其 优点是电路结构简单 相应速度快 能稳定比较波动信号 但是其所能够调 节的频率范围有所限制 2 设计的目的及任务要求设计的目的及任务要求 2 1 课程设计目的课程设计目的 学习不同信号的产生方法 并利用 Matlab 或 PSPICE 或 PROTEL 仿真 分析计算结果 2 2 课程设计任务要求课程设计任务要求 自已设计电路系统 构成信号发生器 要求能产生三种以上的信号 可 以一种电路产生多种信号 也可以由不同电路产生不同信号 利用 Matlab 或 Multisim PSPICE PROTEL 或其他软件仿真 2 3 各组成部分的工作原理各组成部分的工作原理 3 1 正弦波产生电路的工作原理正弦波产生电路的工作原理 此部分电路采用桥式振荡电路 其结构上 看 是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈 放大电路 即为放大电路 和选频网络 经过 计算可知当 或 f 时其选频网络的幅 频响应幅值为最大 即 th 而相频响应的相 位角为 0 即 t 放大电路和 组成的 反馈网络正好组成正反馈系统 建立振荡即使电路自激 产生持续振荡 将 直流电源能量变为交流信号输出 电路中存在噪声 其频谱分布很广 包含 f 频率成分 经不断放大后输出 最后趋于稳定 电路中的 D1 D2 作用为利于起振和稳幅 3 2 方波产生电路的工作原理方波产生电路的工作原理 方波产生电路主要应用迟滞比较器实现 迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的 比较器 其抗干扰能力较普通比较器更好 比较器中运放处于正反馈状态 运放 VP VN时是输出电压转换的临界条件 当VI VP 时 输出电压为低电平VOL 反之则为高电平 故VP即为门限电压VT 利用叠加原理有 VP VT R VREF R R R Vt R R 其输出的上下门限电压为 VT R VREF R R R VtH R R 和VT R VREF R R R VtL R R 比较器的传输特性如图所示 其三要素为 输出电压高电平和低电平 门限电压和输出电 压的跳变方向 根据其特性可用于波形整形 可将前级电路产生的正弦波整形为方波 为了提高灵敏度 应选择开环电压增益 大 失调与温漂小的集成运放构成电压比较 器 3 3 三角波波产生电路的工作原理三角波波产生电路的工作原理 运用数学运算电路 积分电路 可以实现由方波向三角波的转换 积 图 2 图 3 图 4 3 分电路如图所示 利用运放理想特性有 t t 因此有电容以 t 进行充电 假定电容初始电压为 0 则有 t t t t 当输入信号为方波形的阶跃信号时 电 容将以近似恒流的方式进行充电 输出电压 和时 间 t 呈现近似线性关系 因此 t t 其 中 RC 为积分时间常数 在电容两端并联一个电阻可以为电路提供一个 直流通路构成一个负反馈环 防止运放进入饱和状 态 3 4 锯齿波产生电路的工作原理锯齿波产生电路的工作原理 锯齿波的产生利用方波三角波等较难实现 可以单独设计一个电路 实 现锯齿波的产生 利用同向迟滞比较器和充放电时间常数不相等的积分器两部分 可以组 成锯齿波电压产生电路 在 t t 时接通电源 C 充电 输出电压按照线性规律增长 当 上升 到门限电压 时比较器输出翻转 同时门限电压跳变为 经过 R5 R6 向 C 反向充电 下降过程与上升相似 如此周而复始 产生振荡 经过计算可知 忽略二极管正向电阻时 其振荡周期为 T 可以通过调节 R5 R6 电阻的阻值 改变锯齿波的形状和周期 但是应注意运放和其他元件的频率极限 图 5 图 6图 7 4 4 电路形式及参数计算电路形式及参数计算 4 1 电路原理设计图 拟设计频率电路原理设计图 拟设计频率 994HZ 应用 应用 multisim 绘制 绘制 4 2 电路设计过程电路设计过程 电路由正弦波发生部分 方波发生部分 三角波发生部分依次串联而成 在 每一级信号输出处接一级反相放大电路 反相组态具有低输入电阻 几乎不从信 号源吸收功率 具有低输出电阻 当负载变化时 输出电压几乎不变 可以带较 大负载 同时 接反相放大电路可以方便地从低电压开始调节输出电压的幅值 运放 外界工作电压 20V 亦即输出信号最大值 锯齿波电路单独设计如图所示 由同向迟滞比较器串联积分电路组成 4 3 电路参数计算电路参数计算 在正弦波信号发生部分 有 f 拟产生 f kHZ 的正弦波信号 可选择R R k tnF 此时 f 994HZ 为使电路产生 图 9 如图示 图 8 为正弦波 方波 三角波 产生电路设计图 在一个电路中实现三 种波形的发生 图 9 为锯齿波信号发生器 单独设计 电路 如图所示 图 9 5 自激振荡 应在开始时 4 大于 3 稳定后等于 3 故可选取R4 4tk R 4k R tk D1 D2 的作用是有助于起振和稳幅 导 通压降约为 0 7V 在其后接一个同相放大电路 既起到电压跟随的作用 分 隔前后级 使后级电路不受前级电路影响 同时还能简便的改变输出信号电 压幅值 在方波发生部分 t 其输出的上下门限电压为VT R VREF R R R VtH R R 和 VT R VREF R R R VtL R R 即 为 VT tR R R VT tR R R 选 择 R9 tk R tk 可使得方波信号可在前级正弦波电路输出电压在 较小输出时仍然能正常工作 同时正弦波和方波的相位差较小 后接一级同 相放大器 其作用与正弦波部分相似 在三角波发生部分 假设积分器从零开始积分 则当 t RC 时 绝对值达到最大 R 4取值应当满足在较低频率时仍然能够充分积分 正确输出三角波 但电容取值过大会使得积分过程建立不起来 无法积分 电阻取值过大产生较大的压降 输出电压过小或偏移过多 同时 应使 足 够大 才能在较小频率时仍然能够完成积分 不至于饱和失真 但是 过大 使输出电压太小 故应选择合适电阻电容值 可选择R t th 4 th 较为合适 在电容两端并联一个较大的电阻R 该电 阻提供一条直流通路 可以防止运放进入饱和状态 在锯齿波产生电路中 R R R R C 的取值与锯齿波的形状相 关 决定T T 故其取值可以改变 从而调节输出锯齿波信号的形状 电 阻R4 R 没有特别要求 故一般取 t般 级别阻值即可 电阻R 用于帮助建 立V 不可取值过大 取值 般 即足矣 6 5 电路仿真及结果分析电路仿真及结果分析 5 1 在设计频率 在设计频率 994HZ 下输出波形瞬态仿真结果 应用 下输出波形瞬态仿真结果 应用 Multisim 仿真 仿真 根据仿真结果可以得知 输出波形正确 频率分别为 995HZ 997HZ 994HZ 处在合理误差范围内 在峰值上 正弦波峰值最大最小相等 但是 图 10 图 11 7 方波和三角波中 最小与最大值绝对值有一定偏差量 可能是由于电路中存 在的直流偏置量没有很好的消除所引起 以及在在前后级间未设置直流隔离 通路 前级微小的直流误差被逐级放大导致 且经过多个周期观察 其最大 值最小值处于细小的波动状态 误差在一定小范围内波动 故输出基本波形 符合设计要求与应用需求 锯 齿 波 的 输 出 为 选 择 R tK R tK R tK R tK 以及C nF 时的输出波形 其仿真值与理论值相符合 满足设 计要求 5 2 在设计频率 在设计频率 994HZ 下各级输出电压幅值 下各级输出电压幅值 探针 峰值 正弦波 发生级 正弦波 输出级 方波发 生级 方波输 出级 三角波 发生级 三角波 输出级 V Max V4 9898 7110 6820 071 015 79 V min V 4 98 8 74 10 68 20 07 1 16 5 05 表格 1 6 电路优化及改进要求电路优化及改进要求 6 1 信号发生器频率调节要求信号发生器频率调节要求 任何一个信号发生器 均应该能够实现不同频率信号的输出 故设定频率标 准 对电路进行改进 考虑到目前所设计的电路没有特殊用途 故拟设计频率调 节范围为 1HZ 10KHZ 此频率范围足以覆盖大部分普通实验所需 且对电路的元 件要求也比较低 6 2 信号发生器幅值调节要求信号发生器幅值调节要求 一个信号发生器 其信号输出幅值不应该过低 且应具有一定的带负载能力 拟设计输出信号幅值为 0 10V 信号 此信号幅值等级已能够满足大部分实验要 求 具有较为广泛的应用 7 信号发生器调频 调幅功能实现及仿真信号发生器调频 调幅功能实现及仿真 7 1 极限频率的确定极限频率的确定 在本设计中 极限频率主要取决于运放的限制 设计采用学习中常用的 uA741 运放 该运放的部分参数列在下表中 表格 2 8 小信号幅值临界拟定为 10mV 小信号极限频率主要取决于增益带宽积 uA741 的增益带宽积为 1MHZ 即单位增益带宽为 1MHZ 当增益下降 3dB 即电 压倍数下降为 0 707 倍时 其频率 h tt t t4 4 h 为最大频率 对于实 际设计时 考虑到稳定时第一级电路 正弦波发生电路 其增益 第二级 电路增益为 记第一级电阻 电容 第三级电阻电容分别为 第三级电路增益为 而对于为 应当满足 即满足 计算可得 t 故 t 综合上面三级电路增益 选取最大增益 进行计算 h tt h 般h 此为理论上最大频率值 对于大信号 当 一定时 提高频率 而 将成比例地 减小 全功率带宽 t th uA741 的 tt 当输出电压幅 值为 10V 时 其最大不失真频率为 8KHZ 其在信号发生级与输出级均应该考虑 正弦波发生电路电压输出幅值的计算较为麻烦 查阅资料 1 可知 有 4 为二极管正向导通压降 二极管1N4149正向导通压降约为0 5V 故输出信号幅值 4 4t 此电压相对来说可算为大电压 在 此电阻基础上 th t KHZ 此极限频率远远小于小信号模型的 极限频率 故此频率为主要限制频率 同时 采用开关型二极管 1N4149 则输出信号幅值最小应大于 0 5V 在这 种情况下 频率限制为 th 9t 4KHZ 该频率接近运放小信号极 限频率 该二极管搭配 uA741 也是较为合适 综合以上几项计算 参考 6 中电路频率和幅值调节设计要求可知 要求输出 信号达到 10V 为大信号 加上运放的转换速率过低 构成电路频率的主要限制 若想要输出幅值较大 则信号频率不能高 在信号幅值 频率完全不失真的情况 下 理论上信号发生级信号频率极限为 th tt 4t t KHZ 若想要输出级信号幅值达到 10V 则极限频率下降为 KHZ 7 2 高频信号的诸多限制高频信号的诸多限制 由以上几项计算可知 受转换速率限制 高频信号的幅值不能过高 需为小 信号 而若设计信号发生器的输出幅值为 mV 级别 其一要突破二极管最小正向 导通压降的限制 而一般的二极管正向导通压降最小也为 0 5V 左右 若要突破 此限制 不能应用二极管构成反馈回路 应寻求其他方式 如场效应管漏源电阻 式 热敏电阻式等 但是其或许存在其他限制也未可知 其二是发生级的信号频 率和幅值的关系复杂 高频时受运放限制不再满足参考文献 1 中幅值计算公式 9 具体存在怎么样的关系还需要深入探讨 此处则不再深究 其三是即便在放大级 能够再将信号进行一定程度放大 也涉及到小信号放大时产生的失真等问题 所以 若是对信号频率有更高的要求 更换更高精度和更高速率的运放在目 前来说是最佳选择 比如可选择 OPA685 AD509 HA2520 等高速运放 7 3 调频电路设计调频电路设计 由于方波 三角波的频率取决于正弦波的频率 故只需设计正弦波频率调节电路 而正弦波频率取决 于选频网络的元件参数 故可通过设计不同级别电容 与可调电阻实现信号频率的连续可调 在电路上选定一个 t K 限流电阻 以及一个 tK 可调电阻 根据 f 可设计如右表 据此 可设计如下图所示电路图 电容频率范围 1uF1HZ 100HZ 100nF10HZ 1KHZ 10nF100HZ 10KHZ 1nF1KHZ 100KHZ 100pF10KHZ 1MHZ 10pF100KHZ 10MHZ 表格 3 图 12 10 图 14图 14 7 3 正弦波调频 调幅电路瞬态仿真及结果分析正弦波调频 调幅电路瞬态仿真及结果分析 调节电阻和电容取值 改变信号输出频率 利用示波器 频率计 失真分析 仪对信号的幅值 频率 高次谐波进行测量 可以测量得到其频率范围 对应幅 值 频率误差等 故需对每个频率下的信号仿真进行频率测量 幅值测量 信号 质量 高次谐波 测量等 如 当选择 tK 可变电阻为 30 电容为 1nF 级别时 理论频率值为 f t t 般h 输出信号的示波器分析仿真可得到如下图 在上图中用光标可测量得其信号幅值为 4 960V 该幅值与理论计算幅值 4 5V 相差不多 主要误差应是来源于公式的近似和参数的估计 如上图 用频率计测量得频率约为 3 163KHZ 用失真分析仪可以测量信号 总谐波失真为 1 976 34dB 仪器仿真测试时参数设置如图所示 计算所得 频率理论值为 3 208KHZ 测量值与理论值误差为 1 40 总谐波失真为 1 976 其值均较小 输出信号较为良好 应用频谱分析仪 可以仿真测量此时信号中高次谐波的情况以及 3dB 信号所 占的频率范围 清楚地了解信号质量 合理设置仪器参数 仿真可得如下图 图 15 11 图 16 由图可知 信号中含有三次 五次等奇次高次谐波 但是高次谐波含量很小 三次 谐波增益分贝数低至 20 45dB 以 3dB 线划分 其频率范围处 于 3 139KHZ 3 189KHZ 之间 带宽很窄 说明输出信号质量良好 重复以上步骤 选择不同电容档和不同阻值 可进行仿真得到下表 计算中 电阻包含 t K 限流电阻 电容电阻 百分 数 理论频率 值 HZ 测量频率信号幅 值 频率误 差 总谐波 失真 总谐波 失真 dB 1uF100 0 98984 06mHZ4 48V0 41 2 23 31 3 1uF40 2 432 427HZ4 52V 0 12 2 12 33 9 100nF40 24 2624 24HZ4 99V 0 08 1 95 34 1 10nF40 242 61241 55HZ4 97V 0 43 1 96 34 1 1nF40 2426 142 393KHZ4 96V 1 37 1 62 35 1 1nF30 3208 773 163KHZ4 97V 1 40 1 98 34 0 1nF20 4736 764 637KHZ4 97V 2 10 1 94 34 4 1nF15 6216 986 044KHZ4 95V 2 76 1 90 34 3 1nF10 9042 908 671KHZ4 94V 4 08 1 83 34 7 100pF90 10930 9810 381KHZ4 78V 5 03 1 69 35 4 100pF60 16306 8715 001KHZ4 68V 8 09 1 50 36 3 100pF40 24261 4420 92KHZ4 24V 13 77 1 60 35 8 100pF30 32087 7225 91KHZ3 65V 19 23 2 56 32 0 100pF20 47367 5837 01KHZ2 45V 21 87 2 6 31 5 100pF15 62169 9047 987KHZ1 63V 22 85 1 28 37 8 100pF12 76516 7858 685KHZ542mV 23 30 0 14 56 7 100pF11 82893 1900 100 00 表格 4 由表中数据可以绘制如下曲线图 12 结果分析 1 由表中仿真结果可知 信号频率调节范围约为 1HZ 55KHZ 在 1HZ 6KHZ 之间时 输出信号频率与理论值误差较小 处于 2 以内 输出信号幅值没有明 显衰减 此频率范围为正常频率可调输出范围 同时 此时信号总谐波失真基本 处于 2 左右 相比于高精度 1 有所差距 但是依然可以算是相当不错的信号 2 由曲线图可以看出 在频率大于 6KHZ 后 信号频率误差迅速增大 随之 信号幅值迅速衰减 但是令人惊奇的是 信号总谐波失真依然非常小 甚至在 50KHZ 级别时 降到 1 以下 其中原因解释可能较为复杂 可能存在失真与反 馈等交叉结合问题 现在根据一些现象做出一些猜测和解释 具体详实原因仍需紧密计算与多方 位考虑 受运放电压转换速率限制 在输出大信号时 由于电路为信号发生电路 正反馈网络由选频网络构成 本来有可能存在瞬态互调失真 波形失真 据图 18 所示输出类似三角波形状 但是由于正反馈存在 反馈信号不断结合选频网 络选出的信号 达到稳定时输出一个质量良好的正弦波 但受 SR 限制 该波幅 值较小 参考运放 datasheet 中给出实验图 对比输出信号频率和幅值 发现其 相差不多 说明其正确反映出运放对高频信号的幅频响应 图 17 13 另一方面 对于高频信号时的输出信号进行频谱分析可知 高频信号增益降 低 3dB 线所划频带更小 则信号幅值小同时质量也可能更好 3 综合上面的分析 我们可以知道运放正弦波发生级电路的信号输出频率范 围为 2HZ 45KHZ 输出信号总谐波失真非常小 质量良好 其中 在 2HZ 6KHZ 时 信号输出幅值没有明显衰减 在 6KHZ 45KHZ 之间输出信号幅值不断衰减 但是依然达到 1 6V 左右 为可用信号 7 4 正弦波信号幅值瞬态仿真正弦波信号幅值瞬态仿真 受运放限制 信号输出幅值在高频的时候基本不能实现大信号正常输出 根 据拟设计的标准要求输出信号实现 0 10V 可调 经过计算可得理论输出最大频率 为 8KHZ 调幅电路为一级反相比例放大电路 实现信号幅值可调以及增加其带 负载能力 仿真结果可列于下表中 频率范围幅值调节范围 2HZ 6KHZ0 10V 6KHZ 25KHZ0 5V 25KHZ 45KHZ0 2 5V 表格 5 7 5 方波信号频率 幅值仿真测试方波信号频率 幅值仿真测试 方波产生电路产生的方波 其来源于正弦波的转变 但是方波的上升与下降 直接受到运放电压转换速率的限制 故其频率受限更多 同时 uA741 弱爆的瞬时 响应能力也使得方波的上升沿与下降沿变得不是那么陡峭 当选用稳幅为 10V 的 1N4697 稳压管时 其输出方波如图 18 左图示 可以明显看到信号的上升沿 图 18 图 19 14 图 18 和下降沿和竖轴存在一定的夹角 说明方 波信号的质量不是很好 对其进行频谱分 析可知 其一次谐波并不纯粹 3dB 所 包含的频率较宽 所以方波信号才会如 此 解决方法可以采用稳幅为 2 2V 的 1N4680 稳压管 输出信号幅值较低 失 真不会那么大 通过反相器放大后依然可 以输出 0 10V 电压值 图 18 右图为仿真 结果 对比左边可以明显发现波形得到不 小的改善 当然 最佳的解决方案依然是选择一个更好的高速运放即可 在没有反馈调节方波波形的情况下 方波信号的频率直接受制于 SR 理