波形发生器的设计

1 正 文 1 选题背景 波形发生器又名信号源 广泛应用于电子电路 自动控制和科学试验等领域 雷达 通信 宇航 遥控遥测技术和电子系统等领域都随处可见波形发生器的应用 如今作为 电子系统心脏的信号源的性能很大程度上决定了电子设备和系统的性能的提高 因此随 着电子技术的不断发展 现今对信号源的频率稳定度 频谱纯度和频率范围以及信号波 形的形状提出越来越高的挑战 1 1 指导思想 利用 NE555 构成多谐振荡器产生方波 根据 LM324 输出的锯齿波分别通入低通滤波 器和高通滤波器就可以输出正弦波 正弦波 1 2 方案论证 方案一 使用 NE555 芯片构成多谐振荡器 输出方波 通过锯齿波发生电路产生锯 齿波 然后通过一个的低通滤波器 通过滤波产生一次 8KHz 到 10KHz 的正KHzfH10 弦波 然后再让锯齿波通过一个 24KHz 30KHz 的带通滤波器 输出三次正弦波 其中滤 出三次谐波的理论依据是 由于锯齿波是一个关于 的周期函数 并且满足狄里赫莱条件 t 在一个周期内具有有限个间断点 且在这些间断点上 函数是有限值 在一个周期内具 有有限个极值点 绝对可积 方案二 使用功放构成文森桥式震荡电路 产生出 8KHz 10KHz 的正弦波 接着是 用 NE555 芯片 搭建出施密特触发电路 产生脉冲波输出 将脉冲波分别输入一个 的低通滤波器和 24KHz 30KHz 的带通滤波器电路中 产生一次和三次正弦KHzfH10 波 最初方案设计的大体思路在方案一和方案二之间犹豫不决 于是将两个电路的大体 电路都进行了简单的设计 发现方案二存在很多的问题很难解决 问题一 如果使用文森桥式震荡器产生正弦波 改变震荡频率就需要改变 RC 常数 要同时改变两个 R 在实际电路中 同时改变两个电容的值是很复杂的 而且这样也无法 得到一个 8KHZ 10KHz 的连续的频率 需要双滑动变阻器并且要保证滑动变阻器改变 的值完全相同 有一定困难 问题二 NE555 芯片搭建出来的是一个简单的施密特触发器 输入正弦波之后 输 出的脉冲波的占空比是不可以调整的 不满足实验要求的占空比可调的条件 要是施密 特触发器产生的脉冲波的占空比可调会是该电路进一步复杂化 问题三 LM324 芯片的功放不够 由于有负载电阻的限制 输出波形的峰峰值 600 不能简单的通过电阻的分压来实现 鉴于方案二存在的问题能以解决 我们就确定选择方案一的整体思路进行方案的设计 1 3 基本设计任务 2 用555 定时器和四运放LM324 设计并制作一个频率可变的 能够同时输出脉冲波 锯齿波 正弦波I 和正弦波II 的波形产生电路 1 四通道同时输出 每通道输出脉冲波 锯齿波 正弦波I 和正弦波II 中的一种 波形 通道负载电阻均为600 欧姆 2 四通道输出波形的频率关系为1 1 1 3 三次谐波 脉冲波 锯齿波 正 弦波I 输出频率范围为8kHz 10kHz 正弦波II 的输出频率范围为24kHz 30kHz 输出波形 无明显失真 3 频率误差不大于 10 通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于 5 2 电路设计 2 1 工作原理 NE555 构成了多谐振荡器 内部可以产生脉冲波和锯齿波 将锯齿波经过 LM324 一个 比例运算放大电路 就可以得到所需的锯齿波 然后让锯齿波输出分别通入由 LM324 组 成的低通滤波器电路和高通滤波器电路 就可得到一次正弦波和二次正弦波 3 各主要电路及部件工作原理 3 1 脉冲波产生电路脉冲波产生电路 脉冲波由 NE555 芯片搭建的多稳态谐振器振动产生 频率可调 为 参KHz8KHz10 考 NE555 芯片使用手册可知 芯片输出波形的峰峰值为 10V 左右 使用 Multisim 仿真的 脉冲波产生电路如下图 1 所示 图 1 脉冲波发生电路 利用软件进行波形的仿真 得到脉冲波的图形如图 2 所示 3 图 2 脉冲波仿真波形 3 2 锯齿波发生电路锯齿波发生电路 在锯齿波发生电路的设计中 原始方案是采用教材中的锯齿波发生电路 是通过调 整积分电路的正向和反向时间常数的不同 对输入信号的脉冲波进行积分产生锯齿波 该电路是需要二极管的 开始是按照这个思路进行仿真的 因为要同时调整正向和反 向积分的时间常数 于是我们就想可以在调整脉冲波的输出频率的时候 只改变高电平 或者低电平的持续时间 然后在锯齿波发生电路中选取合适的电容值 然后就可以讲正 向或者反向的电阻值固定 只改变另一方向的电阻值就可以了 见图 3 是该方案的仿真 电路 图 3 锯齿波产生电路 见图 1 是用 NE555 产生出脉冲波 然后通过锯齿波产生电路 这里仿真没有选择 功放为 LM324 未考虑的负载电阻以及输出的峰峰值 脉冲波和锯齿波发生电路的 600 参数取值如下 4 ufCCC KR R KR KRR KR KR KR KR 01 0 4 700 3 5 10 9 1 0 12 321 20 8 7 65 4 3 2 1 电位器 电位器 根据 NE555 芯片的使用手册 有以下有用公式 BA B LH H BA BALH BL BAH RR R tt t cycledutywaveformOutput CRR frequency CRRttperiod CRt CRRt 2 1 2 44 1 2 693 0 693 0 693 0 根据以上的公式 就可以计算出理论上的各种参数 uSt uSt uSt KHzf KHzf L H H 9 61001 0 101693 0 8 1171001 0 10110 412 693 0 1 901001 0 1011012 693 0 29 10 1001 0 10121012 44 1 8 1001 0 101210 412 44 1 63 633 633 633 max 633 min max min 在对锯齿波进行仿真的时候 发现波形有些失真 上网查阅资料后得知要是常数RC 跟脉冲波的时间相匹配才行 LH ttRC或 去锯齿波发生电路的参数选择及计算过程如下 5 690 1001 0 109 6 8 11 1001 0 10 8 117 9 1001 0 10 1 90 t uf01 0 6 6 2 6 6 1 6 6 1 H1 max min R KR KR CR C 由 取 如图 1 所示 为一个电阻和一个电位器组成 取仿真结果见图 4 的 1 R K9 K3 2 R 700 锯齿波 图 4 锯齿波仿真波形 从图 4 的波形中算出锯齿波的峰峰值为 VDivDivV4 42 2 2 由于要求负载电阻为 不能直接进行分压来控制峰峰值为 再用功放来满足 600V1 峰峰值的要求的话 LM324 的四功放无法满足整个电路的需求 因此这种锯齿波的单元 电路就被放弃了 需要进行改进 查阅资料发现了在 NE555 芯片构成的脉冲波发生电路 中就有锯齿波 只需要在该处输出 然后调整峰峰值便可以得到要求的锯齿波 改进后 的电路仿真图如下图 5 6 图 5 改进后的脉冲波和锯齿波发生电路 改进后的电路对脉冲波发生电路的参数也进行了调整 让脉冲波的占空比接近一半 锯齿波发生电路是一个反向比例运算电路 由公式 R R u f o u 参数的选择如下 KR KR Vu f o 35 10 1 取 由 对该电路进行软件仿真得到理论上的锯齿波波形 见图 6 图中另一个波形是 NE555 芯片的输出波形 图 6 改进电路后的脉冲波和锯齿波的仿真波形 得到的锯齿波的峰峰值约为 频率与 NE555 芯片产生的脉冲波频率保持一致 满V1 足实验要求 就完成了锯齿波波形发生电路的理论设计 7 3 3 正弦波发生电路正弦波发生电路 在电路的设计初期 一次正弦波 也就是 的正弦波发生电路是采用的是KHz8KHz10 截止频率为的二阶压控电压源低通滤波器 电路图见下图KHzfc10 图 7 二阶压控电压源低通滤波器原理图 根据截至频率 查图确定电容的标称值KHzfc10 图 8 二阶压控电压源低通滤波电路参数选取参考图 取 nFC3 3 查表确定电容的值 以及时对应的电阻 1 C1 K v A 1246810 1 R 1 4221 1260 8240 6170 5210 462 1 R 5 3992 2501 5372 0512 4292 742 1 R 开路6 7523 1483 2033 3723 560 1 R 06 7529 44416 01223 60232 038 1 R C33 0CC2C2C2C2 表 1 1 二阶压控电压源低通滤波器参数表 因为低通滤波器的输入直接从锯齿波发生电路的输出端引入 峰峰值为 所以V1 8 nFnFCC KR KR Av 13 333 033 0 399 5 422 1 1 1 2 1 将上列阻值乘以计算出来的值K KR KR 163399 5 43422 1 2 1 进行电路仿真后电路图如图 图 9 二阶压控电压源低通滤波器仿真电路 图 9 下部分就是二阶压控电压源低通滤波器电路 一次正弦波产生电路 蓝色的线 分别是滤波器的输入和输出端 其中输入端是锯齿波发生电路的输出端 即输入峰峰值 为的锯齿波 V1 仿真的波形如下图 9 所示 图 10 一次正弦波仿真波形 9 图中 上部分波形是输入的峰峰值为的锯齿波 下部分是一次正弦波 频率与锯V1 齿波保持一致 但是峰峰值没有达到实验要求的 有所衰减 于是对电路的参数重新V1 选择 nFnFCC KR KR KR KR Av 13 333 033 0 203752 6 203752 6 8 63250 2 3 33126 1 2 1 4 3 2 1 修改后的仿真电路图如下 图 11 改进后的二阶压控电压源低通滤波电路 再次进行波形的仿真 结果如下图 图 12 改进后的一次正弦波仿真波形 从仿真结果可以发现 波形的峰峰值又超过了 对电路进行理论分析 发现因为V1 使用的单电源 偏置电阻影响了原本与地直接只有的的阻值 串上了偏置 K10 K10 3 R 10 电阻 根据二阶压控电压源电路的放大倍数公式进行电阻的调整 取 3 4 1 R R Av 得到的满足条件的峰峰值为的一次正弦波 上面的波形是从锯齿波发生电 KR100 3 V1 路输出的锯齿波 下面的是经过低通滤波器之后产生的一次正弦波波形 两个波形的峰 峰值单位都是 可知波形在的仿真结果都满足实验要求 该部分DivV 5KHzKHz10 8 的仿真设计就完成了 图 13 一次正弦波仿真波形 3 4 二次正弦波发生电路二次正弦波发生电路 二次正弦波的电路的设计思路是通过一个通带为的带通滤波器 设z30 z24KHKH 计该滤波器是采用的无限增益多路反馈 MFB 电路 该电路的电路图如下所示 图 14 无限增益多路反馈电路原理图 该电路有以下公式方便参数选择 1 3 0 00 2 321 21 2 0 2 R R A wBW BW f BW w Q CRRR RR w v 时或 11 为了使通带更加平坦 应该尽量使值大 查二阶无限增益多路反馈带通滤波器设计用Q 表 归一化电路元件值 K 增益Q电 路 元 件 1246810 5 3 2 1 R R R 915 15 162 0 958 7 915 15 166 0 979 3 915 15 173 0 989 1 915 15 181 0 326 1 915 15 189 0 995 0 915 15 199 0 796 0 10 3 2 1 R R R 831 31 080 0 915 15 831 31 080 0 958 7 831 31 081 0 079 3 831 31 082 0 635 2 831 31 083 0 989 1 831 31 084 0 592 1 表 1 2 无限增益多路反馈电路参数选择表 参数选择如下 KR R KR Q Av 831 31 83 989 1 10 8 3 2 1 仿真的电路图如下图所示 图 15 无限增益多路反馈电路 带通滤波器 对电路进行波形仿真时发现 当接入一个波形发生器进行测试的时候 输出的波形 不会随着输入信号的频率变化而变化 始终为左右 于是想到没有接输入信号 z17KH 直接查看输入端和输出端的波形 结果如下 12 图 16 无限增益多路反馈电路的自激振荡仿真波形 仿真的波形图中上面的波形是 A 端 即输入端的波形 下面的波形是输出端的波形 两个探针 A B 分别放在输入和输出端 这里没有输入的信号 输出却稳定在将近 z18KH 可知电路产生了自激震荡 对电路进行改进 重新选取参数 nF wRRR RR C KR R KR A Q v 6 3 102721016200108 200108 16 200 796 0 10 5 2 333 3 2 0321 21 3 2 1 对电路的波形进行仿真 发现峰峰值比较小 与实验要求差距较大 由 可知 缩小的值会使放大倍数增大 而且对通带的中 1 3 2 321 21 2 0 2R R A CRRR RR w v 1 R v A 心频率影响也较小 电容值取实验室有的电容 改进后的电路图如下所示 0 wnFC3 3 图 17 改进后的无限增益多路反馈电路 13 对电路进行仿真 查看仿真出的波形结果如下图 由波形可以知道该电路产生的三 次正弦波的频率是满足实验要求的 但是峰峰值没有达到要求的 9V 两个波形的峰峰值 单位分别是和DivV 1DivV 5 图 18 三次正弦波仿真波形 4 原理总图 图 19 总体方框图 5 元器件清单 14 表 1 3 元器件清单 序号名称型号参数数量备注 1555定时器NE5551 2四运放LM324LM3243 3电容0 01uf2 4电容3 3nf3 5电容1nf1 6电阻10k6 7电阻1k1 8电阻6k1 9电阻0 6k1 10电阻20k2 11电阻2k2 12电阻0 2k1 13电阻0 162k1 14电阻16k1 15电阻3 3k1 16电阻6 8k1 17电阻35k1 18电位器2k1 6 调试过程及测试数据 或者仿真结果 为使电路便于调试我们采用分块调试的方法 6 1 通电前检查 电路安装完毕后 经检查电路各部分接线正确 电源 元器件之间无短路 器件无 接 错现象 6 2 仿真结果 15 图 20 总体仿真波形图 6 3 实验结果分析 观察示波器上显示波形 可以看出方波和锯齿波以及正弦波波形良好 没有失真现 象 达到了课题的要求 7 小结 本次实验时间较长 在仿真设计电路的阶段占了很大一部分时间 拖慢了实验进度 在电路仿真设计中