信号发生器的设计（程序仿真+电路图+任务书+说明书）

摘要信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域。采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器电路产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用仿真软件仿真电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方便。本设计是信号发生器的设计，主要由比较器、积分器、差分放大器构成，它能产生频率范围为1KHZ10KHZ内的方波、三角波、正弦波。关键词方波；正弦波；三角波；信号发生器I目录摘要.1第1章绪论.2第2章方案论证及系统框图.32.1方案比较.32.2系统框图.4第3章单元电路设计.53.1方波三角波产生电路.53.1.1比较器电路.53.1.2积分电路.63.1.3参数计算与元件选择.93.2三角波正弦波产生电路.103.2.1差分放大器电路.103.2.2参数计算与元件选择.11第4章仿真电路与调试.134.1方波波形.134.2三角波波形.144.3正弦波波形.144.4方波转换三角波.154.5三角波转换正弦波.15总结.16致谢.17参考文献.18附录1整机原理图.19附录2元件明细表.20第0页共20页第1章绪论凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。信号发生器能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形。其电路中使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以是集成电路（如单片集成电路函数发生器ILC8038）。本设计主要由集成运算放大器与晶体管差分放大器组成的方波三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如先产生正弦波，产生通过整形电路将正弦波转换为方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以先产生三角波方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。本设计是先产生方波三角波，再将三角波转换成正弦波的电路设计方法。第1页共20页第2章方案论证及系统框图2.1方案比较本设计有以下三种方案：方案一DDS信号发生器DDS信号发生器是利用采样定理，通过查表法产生波形，能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。其基本的系统框图如下：相位累加器波形存储器电路D/A转换器电路低通滤波器电路图2-1系统框图方案二555信号发生器采用555定时器制作的信号发生器，其外围电路相对复杂。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。其基本的系统框图如下：图2-2系统框图方案三由集成运算放大器和差分放大器组成的信号发生器由比较器电路来产生方波，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，第2页共20页抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。通过以上的叙述采用方案一能产生精度和质量相对较高的信号用于试验科研和生产，但其价格较高在要求不高的场合就没有必要采用这种方案。与方案二相比较方法二虽说在价格方面比前者要低，但是其外围电路相对复杂，且调试不方便，应用时不便于操作。结合了前两者考虑我选择了第三种方案，因为方案三中的比较器和积分器使用起来比较方便，并且差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优。2.2系统框图本设计系统框图由比较器产生方波，再经过积分器得到三角波，最后经过差分放大器得到正弦波。系统框图如下：比较器积分器差分放大器图2-3系统框图第3页共20页第3章单元电路设计3.1方波三角波产生电路3.1.1比较器电路图3-1所示电路运算放大器与，及，组成一个迟滞比较器，称为1AR231PR1R平衡电阻。迟滞比较器的（被比信号）取自积分器的输出，通过接运放的反相输2oU1入端，迟滞比较器的（参考信号）接地，通过接运放的同相输入端。迟滞比较器R2输出的高电平等于正电源电压+低电平等于负电源电压-。当=0时，1OUCVEVU比较器翻转，输出从高电平+翻转到低电平-；或从低电平跳到高电平+1OE。CVR110kR210kR320kA1RP147kUo1Uo2+Vcc-VEE图3-1比较电路若=+，根据电路叠加原理可得：1OUCV231312()PCiPVURR因=0，故比较器翻转的下门限电位为：RTHU）（cPTH1322）（VcP132若=-，根据电路原理叠加原理可得：1OUEV231312()PCiPRRU将上式整理，得比较器翻转的上门限电位为：1TH）（EPTHV1321）（VcP132第4页共20页比较器的门限宽度为：THUCPTHVR13221由以上式子可得迟滞比较器的电压传输特性如图3-2所示。图3-2比较器电压传输特性3.1.2积分电路如图3-3运算放大器是反相积分器，它的输入信号就是的输出信号，加2A1A1oU于反相输入端，分析积分电路工作原理，实际上是在反相放大器的反馈支路中，将反馈电阻换成了电容C。根据集成运算放大器理想化条件中的两个条件：1.开环(差摸)增益为无穷大，和为运算放大器同相端与反()OAUU相端输入电压。输入电阻(即开环差摸输入电阻)为无穷大。可以得出两条重要推论：ir（1）即（2）=00()iiRP2100kR510kC110nFA2Uo1Uo2+Vcc-VEE第5页共20页图3-3积分运算电路a)输入正阶跃电压b)输入方波信号图3-4波形图2.两重要推论是进行集成运算放大器的近似分析的基本出发点，由此可以得出反相放大器的反相输入端为“虚地”概念，在积分运算电路中，由于=0，故有i，根据反相输入运算放大器反相输入端为虚地有：1fiUR11OCfttUVidUR即输出电压与输入电压对时间的积分成正比，负号表示输出电压与输入电压的极性相反。当输入为一阶跃电压信号时，为常数，电容C将以恒流充电，输出电压随时间fi按线性规律变化。波形如图3-4所示。当输入为方波信号时，在方波的正半周，朝下积分，在方波的负半周，1OUOU朝上积分，周而复始，输入为方波信号时，输出得到三角波信号。运放与，02A4R，及组成反相积分器。其输入是前级输出的方波信号，从而可得积分器的2PR1C51O第6页共20页输出为：2OU2142()OOPUUdtRC当时，电容被充电，电容电压上升：2OCV12421()OPVt即线性下降。2OU图3-5方波三角波当（即）下降为=时，比较器的输出状态发生翻转，即2OUi2OU2TH2A2OU由高电平变为低电平，于是电容放电，电容电压下降，而:1CVEV1C2421421()()OPPVttRR即线性上升。2O当（即Ui）上升到=时，比较器A1的输出状态又发生翻转，即2O1TH1OU由低电平变为高电平，电容又被充电，周而复始，震荡不停。输1EVCV1OU出是方波，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，可见当积分器地输入为2O方波时，输出的是一个上升速率与下降速率相等的三角波，其波形关系入图3-5所示。比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波三角波。由图3-5可知，三角波的幅度为:2OmU第7页共20页2231OmCPRUV的下降时间为，其中2OU121()THtdt242)1(OCtPdUVR的上升时间为，其中2221Ott242)1t把和的值代入，得三角波的频率为：1TH12423)(CRfP由和的表达式可以得出以下结论：f2OmU1.使用电位器调整方波三角波的输出频率时，不会影响相互出波形的幅度。PR若要求输出信号频率范围较宽，可用改变频率的范围，实现频率微调。12PR2.方波的输出幅度应等于电源电压，三角波的输出幅度不超过。电位器CVCV可实现幅度微调，但会影响方波三角波的频率。2PRR110kR210kR320kA1RP147k+Vcc-VEERP2100kR510kC110nFA2+Vcc-VEER41k图3-6方波三角波转换电路3.1.3参数计算与元件选择如图3-1所示，其中运算放大器与用一只双运放。因为方波的幅度接1A274uA近电源电压，所以取电源电压，。CV1EV比较器与积分器的元件参数计算如下：1A2223143OmPCRU取R2=10k，取R3=20k，RP1=47k，平衡电阻k1231/()0pR由输出频率的表达式得：第8页共20页fCRpp1234当1KHz10KHz时，取=10nF，=1k，=100k，取平衡电阻f142P=10k。5R3.2三角波正弦波产生电路3.2.1差分放大器电路本设计选用差分放大器作为三角波正弦波的变换电路。波形变换的原理是：利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。分析表明，差分放大器的传输特性曲线Ic1(或Ic2)的表达式为：(3-1)01(/)idTCEVaIIe式中，；I0为差分放大器的恒定电流；VT为温度的电压当量，当室/ECI温为25时，mV。26TV如果为三角波，设表达式id(3-2)43(TtVmid)2(0t式中，为三角波的幅度；T为三角波的周期。mV将(3-1)代入(3-2)计算，则(3-3)43(0)4(01)(TtVTtVcmmeIIti)2tic1(t)或ic2(t)曲线近似于正弦波，则差分放大器的输出电压Vc1(t)、Vc2(t)也近似于正弦波，波形变换过程如图3-7所示。为使输出波形更接近正弦波，要求：1.传输特性曲线尽可能对称，线性区尽可能窄；2.三角波的幅值应接近晶体管的截止电压值。mV图3-8为三角波正弦波的变换电路。其中，RP3调节三角波的幅度，RP4调整电路第9页共20页地对称性，并联电阻用来减小差分放大器地线性区。C3、C4、C5为隔直电容，C6为1eR滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。图3-7三角波正弦波变换C2470uFC4470uFC3470uFC550nFRP34.7kRP48kT3T2T1T4Re22kRc210kRb16.8kRb2Re48kRe32kRe18kRc110k-VEEVCC图3-8三角波正弦波产生电路第10页共20页3.2.2参数计算与元件选择三角波正弦波变换电路的参数如下：因为三角波频率不高，所以隔直电容C2、C3、C4的值应取得稍大，这里取C2=C3=C4=470uF。滤波电容C5根据输出的波形而定；若含高次谐波成分较多，C5可取得较小，一般为几十皮法至几百皮法。Re1=8k与RP4=8k相并联，以减小差分放器的线性区。差分放大电路的静态工作点主要由恒流源Io决定，故一般先设定Io。Io取值不能太大，Io越小，恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越高。但Io也不能太小，一般为几毫安左右。这里取差动放大的恒流源电流Io=1mA，则A1=A2=0.5mA，从而可求得晶体管的输入电阻：26()30(1beOmVRI为保证差分放大电路有足够的输入电阻，取20k，根据=2(+)得iriirbeR1b6.6k，故取=6.8k因为要求输出的正弦波波峰值大于1V，所以应使差动放1bR2大电路的电压放大倍数Au40。根据Au的表达式：2()LubeRAr可求得电阻，进而选取=10k。发射极电阻一般取几千欧姆，这里选LR1C择=2k。2e3第11页共20页第4章仿真电路与调试本设计采用的是软件Mulitisim10.0来进行的仿真，Mulitisim的前身为EWB（ElectronicsWorkbench）软件。它以界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在20世纪90年代初就在我国得到迅速推广，并作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。世纪初，21EWB5.0更新换代推出EWB6.0，并更名为Mulitisim2001；2003年升级为Mulitisim7.0；2005年发布Mulitisim8.0时其功能已十分强大，能胜任电路分析、模拟电路、数字电路、高频电路、RF电路、电力电子及自动控制原理等个方面的虚拟仿真，并提供多达18种基本分析方法。首先按照信号发生器的设计原理图在仿真软件中连接原理图，并连接原理图的过程中注意元件的参数设置，在Mulitisim10.0仿真软件中连接好原理图后，设置好参数，经过电气规则检测无误，然后用示波器检测输入端输出波形。4.1方波波形方波波形仿真如图4-1所示，方波波形的频率1KHz,峰峰值24V。fpV图4-1方波波形第12页共20页4.2三角波波形三角波波形仿真如图4-2所示，三角波波形的频率1KHz,峰峰值6V。fpV图4-2三角波波形4.3正弦波波形正弦波波形仿真如图4-3所示，正弦波波形的频率1.5KHz,峰峰值f1V。p第13页共20页图4-3正弦波波形第14页共20页4.4方波转换三角波方波转换三角波仿真如图4-4所示，方波波形的频率1KHz,峰峰值f24v。三角波波形的频率1KHz，峰峰值6V。pVfpV图4-4方波转换三角波4.5三角波转换正弦波三角波转换正弦波仿真如图4-5所示，三角波波形的频率1.2KHz,峰峰值f5V，正弦波波形的频率1.5KHz，峰峰值1V。pVfpV第15页共20页图4-5三角波转换正弦波第16页共20页总结该设计电路通过先产生方波-三角波，再将三角波变换成正弦波，最终艰难而曲折的把简易信号发生器设计了出来。虽然在该设计之初，我已对一个完整课题的设计有一定的基础了解，但是在格式和综合运用各方面等方面还存在较大的问题。通过在指导老师等帮助下，我首先用了一段时间对模拟电路的知识进行了温习，最后对各个需要用到的知识有了一定的掌握和分析能力。在这之后的几个星期中，我计划的安排了设计时间，即此设计的需求分析、总体设计、详细设计等步骤，分阶段地完成各设计任务。接着，根据设计任务书以及需求分析的要求，对设计内容进行规范化和具体化。总之，经过这次毕业设计，我感觉自己从理论到实际操作都有很大的提高，也深刻认识到要完成一项任务，首先必须要有一个详细周密的计划，系统的思维方式与方法。对待一个新的问题要有耐心，要善于运用已有的资源来解决，其次要勇于实践，在实践中发现和解决问题，要相信自己有解决问题的信心和能力。第17页共20页致谢在这里，我首先向我的指导老师王萍致以深深的谢意，也感谢同学们给我的帮助和鼓励，更感谢所有在毕业设计中帮助过我的老师和同学们。我的毕业设计是在王老师的亲切关怀和耐心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，王老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持，使我克服一个个的困难和疑惑。在整个毕业设计过程中，他们都给予了我极大的关心和帮助，并对我的毕业设计进行了悉心的指导。王老师定期检查我的设计进度，对于设计中出现的问题都给我及时纠正，正是由于他的耐心指导，我才能顺利的完成整个设计。从他的身上我不仅学到了设计的思想，还学到了严谨的学风和敬业的精神。由于我的知识浅薄，经验不足及阅历颇浅，因此，在该方案的设计方面还有很多不足，比如功能不够完善，我会在工作的使用过程中，根据工作的具体要求不断的修改、完善，争取使之慢慢趋于完美。我感谢大学三年来所有教过我的四川信息职业技术学院的老师们，是他们传授了有用的专业知识给我，使我在整个毕业设计过程中能游刃有余的发挥，在此向他们致