简易正弦信号发生器设计.

课程设计课程设计 论文论文 题题 目目 简易正弦信号发生器设计简易正弦信号发生器设计 学院名称学院名称 电气工程学院电气工程学院 指导教师指导教师 职职 称称 班班 级级 学学 号号 学生姓名学生姓名 2016年 10 月 10 日 i 南 华 大 学 课程设计 论文 任务书课程设计 论文 任务书 学学 院 院 电气工程学院电气工程学院 题题 目 目 简易正弦信号发生器设计简易正弦信号发生器设计 起 止 时 间 2016年9月10日 至 2016年10月10日 学 生 姓 名 专 业 班 级 指 导 教 师 教研室主 任 院 长 2016 年 10 月 10 日 ii 1 课程设计的内容和要求 包括原始数据 技术要求 工作要求等 1 技术要求 1 采用分立元件或者集成元件模块完成简易正弦信号发生器原理图设计 2 完成原理图仿真 可选用Multisim 3 完成实物制作 2 工作要求 查阅参考文献 利用高频电子线路基本理论 分析系统工作原理 设计系统方框 图 掌握计算机辅助设计方法 利用Multisim等软件进行仿真设计 具备独立设计能 力 掌握电子电路安装调试技术 选择合适的元器件搭接实际电路 掌握电路的测试 和故障排除方法 提高分析问题和解决问题的能力 2 对课程设计成果的要求 包括图表 或实物 等硬件要求 设计系统方框图 对系统方框图进行仿真 分析实验结果 撰写设计说明书 书写 格式规范 语言流畅简洁 文字不得少于3000字 要求图表清晰 分析通彻 有理有据 3 主要参考文献 1 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛技能训练 M 北京 北京航空航天大学出版社 200 7 2 黄智伟 印制电路板 PCB 设计技术与实践 第二版 M 北京 电子工业出版社 2012 3 iii 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛基于TI器件的模拟电路设计 M 北京 北京航空航 天大学出版社 2014 7 4 黄智伟 基于NI Multisim的电子电路计算机仿真设计与分析 修订版 M 北京 电子工业出版社 2011 6 5 陈尚松 雷加 郭庆 电子测量与仪器 M 北京 电子工业出版社 2005 108 126 4 课程设计工作进度计划 序号起 迄 日 期工 作 内 容 1 2016 9 10 2016 9 17系统方案设计 2 2016 9 18 2016 9 24利用Multisim等软件进行仿真设计 3 2016 9 25 2016 9 30实物调试和测量 排除故障 分析实验结果 4 2016 10 8 2016 10 10整理设计报告 指导教师宁志刚 日期 2016 年 9 月14日 iv 南华大学电气工程学院课程设计 iv 摘要 摘要 移相式正弦波发生器电路 其频率稳定度通过实际测试为0 002 该电路性价 比高 用很便宜的几个元件在很宽的频段内 实现频率连续可调 移相式正弦波发生 器是由RC超前或滞后移相反馈网络和反向放大器组成 常用于产生低频正弦信号 RC 与运放构成的反馈网络包含180 相移 与负反馈放大器正好在该频率上构成正反馈 满足振荡的相位平衡条件 同时使放大器闭环增益大于1 即满足振荡的振幅平衡条件 就能在输出端得到正弦波振荡信号 关键词 关键词 移相式正弦波发生器 频率可调 正反馈 南华大学电气工程学院课程设计 v Abstract Phase shifted sine wave generator circuit the frequency stability through the actual test of 0 002 The circuit cost effective very cheap with a few components in a very wide frequency band to achieve continuous adjustable frequency Phase shifted sine wave generator is composed of RC lead or lag phase shifted feedback network and reverse amplifier commonly used to generate low frequency sinusoidal signal The feedback network composed of RC and op amp consists of 180 phase shift and the negative feedback amplifier forms the positive feedback exactly at the frequency which satisfies the phase balance condition of oscillation and makes the amplifier closed loop gain greater than 1 which satisfies the oscillation amplitude balance condition A sine wave oscillation signal can be obtained at the output terminal Key words Phase shifted sine wave generator Frequency adjustable Positive feedback 目 录 南华大学电气工程学院课程设计 vi 任务书 I 中文摘要 IV 英文摘要 V 1 绪论 1 2 MULTISIM软件介绍 1 3 设计要求 2 3 1设计要求 2 3 2 技术指标 2 4 方案设计与论证 2 4 1设计思想 2 4 2 总体方案 3 5 设计原理及电路图 3 5 1 设计原理 3 5 2 仿真电路图 5 6 软件仿真与硬件调试 5 6 1 软件仿真 5 6 2 硬件调试 7 7 收获与体会 8 8 参考文献 9 南华大学电气工程学院课程设计 vii 9 附录 实物图 10 南华大学电气工程学院课程设计 第1页 共10页 1 1 绪论绪论 正弦信号源在实验室和电子工程设计中有着十分重要的作用 正弦信号主要用于 测量电路和系统的频率特性 非线性失真 增益及灵敏度等 按频率覆盖范围分为低 频信号发生器 高频信号发生器和微波信号发生器 按输出电平可调节范围和稳定度分 为简易信号发生器 即信号源 标准信号发生器 输出功率能准确地衰减到 100分贝毫瓦以下 和功率信号发生器 输出功率达数十毫瓦以上 按频率改变的方式分 为调谐式信号发生器 扫频式信号发生器 程控式信号发生器和频率合成式信号发生 器等 正弦信号是一种频率成分最为单一的常见信号源 任何复杂信号 例如声音信号 都可以通过傅里叶变换分解为许多频率不同 幅度不等的正弦信号的叠加 它的应用 领域很广范 正弦信号发生器广泛地应用在电子技术试验 自动控制系统和通信 仪器仪表 控制等领域的信号处理系统中及其他机械 电声 水声及生物等科研领域 2 2 MultisimMultisim软件介绍软件介绍 Multisim软件是一个专门用于电子线路仿真与设计的 EDA 工具软件 作为 Windows 下运行的个人桌面电子设计工具 Multisim 是一个完整的集成化设计环境 Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好地解决理 论教学与实际动手实验相脱节的这一问题 学生可以很方便地把刚刚学到的理论知识 用计算机仿真真实的再现出来 并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表 Multisim软件特点 1 直观的图形界面 2 丰富的元器件库 3 丰富的测试仪器 4 完备的分析手段 5 强大的仿真能力 Multisim整个操作界面就像一个电子实验工作台 绘制电路所需的元器件和仿真所 南华大学电气工程学院课程设计 第2页 共10页 需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上 轻点鼠标可用导线将它们连接起来 软件仪器 的控制面板和操作方式都与实物相似 测量数据 波形和特性曲线如同在真实仪器上 看到的一样 Multisim 既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真 也可进行数模混合仿真 尤其是新增了射 频 RF 电路的仿真功能 仿真失败时会显示出错信息 提示可能出错的原因 仿真结果可随 时储存和打印 3 3 设计要求设计要求 3 13 1 设计要求设计要求 1 采用分立元件或者集成元件模块完成简易正弦信号发生器原理图设计 2 完成原理图仿真 可选用Multisim 3 完成实物制作 3 23 2 技术指标技术指标 输入直流电压 E 15V 输出正弦波最大峰 峰值 Vpp 14V 20V 输出正弦波频率 0 7Hz 7kHz连续可调 输出正弦波峰 峰值可调 4 4 方案设计与论证方案设计与论证 4 14 1 设计思想设计思想 图4 1 正弦波发生器设计框图 放大电路反馈网络选频网络稳幅电路 正弦波 南华大学电气工程学院课程设计 第3页 共10页 图4 2 正弦波振荡电路示意图 4 24 2 总体方案总体方案 方案一 RC移相式振荡器产生正弦波 它具有电路简单 经济方便等优点 在加入电位器 的情况下能够实现频率连续可调 输出幅值可调 且稳定性较高 其振荡频率是 1 2 fo 6RC 方案二 RC串并联文氏桥振荡电路产生正弦波 它的电路振荡频率为 1 2 RC 起振条件 fo 是 3 电路特点 能连续改变振荡频率 便于加负反馈稳幅 振荡波西米稳定不 u 失真 方案三 双T选频网络振荡电路 电路的振荡频率 1 5RC 起振条件是R 2 A 3 电 路特点是 频率特性好 调频比较困难 适于产生单一频率的振荡 5 5 设计原理及电路图设计原理及电路图 5 15 1 设计原理设计原理 产生正弦波自激振荡的平衡条件 1 幅度平衡条件 1 相位平衡条件 2n n 0 1 2 实质上 只要电路中的反馈是正反馈 相位平衡条件就一定满足 这是由电路结构决 定的 而幅度平衡条件则是由电路参数决定的 当环路增益AF 1时 电路产生等幅振 南华大学电气工程学院课程设计 第4页 共10页 荡 AF1时 产生减幅振荡 AF1时 电路产生增幅振荡 选频特性 在振荡电路中 当放大电路或正反馈网络具有选频特性时 电路才能输出所需频率 的正弦信号 即在电路的选频特性作用下 只有频率为的正弦信号才能满足振荡 条件 稳幅措施 如果振荡电路满足起振条件 在接通直流电源后 它的输出信号将随时间的推移逐 渐增大 当输出信号幅值达到一定程度后 放大环节的非线性器件接近甚至进入饱和 或截止区 这时放大电路的增益A将会逐渐下降 直到满足平衡条件AF 1 输出辛哈将 不会再增大 从而形成等幅振荡 这就是放大电路中的非线性器件稳幅的原理 由于 放大电路进入非线性区后 信号幅度才能稳定 所以输出信号必然会产生非线性失真 削波 为了改善输出信号的非线性失真 常常在放大电路中设置非线性负反馈网 络 如 半导体二极管等 使放大电路未进入非线性区时 电路满足幅度平衡条件 AF 1 维持等幅振荡输出 这是一种比较好的稳幅措施 图5 1 稳幅非线性负反馈网络 正弦波信号发生器的分析方法 1 检查电路的组成 检查电路是否同时具备放大 反馈 选频和稳幅环节 2 分析放大电路是否能正常工作 对分立元件电路 首先估计放大电路静态工作点是否合适 其次分析交流通路是 否能正常传递信号 对集成运放检查输入端是否有直流通路 3 分析电路自激振荡的条件是 首先判断相位条件 其次是判断幅度条件 相位条件的判别就是判别电路中的反馈是否是正反馈 具体方法是从振荡电路的 南华大学电气工程学院课程设计 第5页 共10页 输出寻找反馈网络 在反馈网络的输出与基本放大电路的输入端处断开反馈环 在断 开处给放大电路施加一假想的信号 用瞬时法判别反馈极性 若反馈为正反馈 电路 满足相位条件 有可能产生振荡 否则不会产生振荡 幅度条件的判别是计算环路增益AF的大小 若AF1不能振荡 AF 1能产生等幅 估算振荡频率 振动器的大小取决于选频网络的参数 在放大电路中 为了改善电路性能 通常 引入负反馈 中频区 当电路附加相移 高频区或低频区 改变了反馈信号的极性 时 电路中的负反馈就会变成正反馈 此时 若反馈环路增益满足一定条件 电路就 会产生自激振荡 这是有害的 应当消除 在振荡电路中 人为地引入正反馈 并使反馈环路增益满足一定的条件 那么 电 路在没有外部激励的情况下会产生输出信号 即产生自激振荡 无论在放大电路还是 在振荡电路中 自激振荡的本质是相同的 即振荡时电路中的反馈一定是正反馈 并 且反馈环路增益必须满足一定的条件 5 25 2 仿真电路图仿真电路图 图5 2 正弦波发生器电路图 南华大学电气工程学院课程设计 第6页 共10页 正弦波信号发生器一般由放大电路 正反馈电路 选频网络和稳幅环节组成 其中 选频网络既可以包含在放大电路内 也可以包含在正反馈网络中 稳幅环节一般由放 大电路电路中的非线性元件或增加非线性负反馈网络实现 6 6 软件仿真与硬件调试软件仿真与硬件调试 6 16 1 软件仿真软件仿真 在本次课程设计中我选用NI公司推出的Multisim10 0软件进行软件仿真设计 同时 在集成运放的选择上 我选择的是一款双运算放大器TL082CN 其特点有 较低的输入 偏置电压和偏移电流 输出设有短路保护 输入级具有较高的输入阻抗 内建频率补 偿电路 较高的压摆率 最大工作电压 max 18 图6 1 TL082内部框图 南华大学电气工程学院课程设计 第7页 共10页 图6 2 TL082 1 2运算电路图 在Multisim软件电路图中加入所需的各个元器件 然后按设计的电路图连接各个元 件 检查无误后启动仿真 用软件自带的测量仪器测量各个点的输出波形 如下图所 示 当R2 5K R7 R13 50K 时 图6 3 U3A的输出波形 当R2 5K R7 R13 90K 时 图6 4 U3A的输出波形 通过上图的对比分析当同时调节R7和R13到相同的阻值是能起到调节输出正弦波信 南华大学电气工程学院课程设计 第8页 共10页 号的频率的作用 6 26 2 硬件调试硬件调试 通过对所设计的电路图进行软件仿真 发现此电路基本能达到所需要的设计要求 因此进入下一步的实物制作环节 首先按照所设计的电路进行实物的焊接工作 完成实物的焊接后 再用万用表对实 物进行检查 检查是否有短路 虚焊 断路现象 完成这些操作后 正确的把电路板 接入电源 用示波器检测波形的幅频特性和观察波形是否失真 调制完善后 用示波 器对波形进行测量 在大致不是真的情况下 频率在1Hz 7kHz 频率理论值计算如下 C1 C2 10nF R2 0 10k R7 R13 0 100k 但由于电位器的固有噪声在旋动中会有波形跳动的现象 所以电位器的品质直接影 响着频率输出的稳定性 本电路的最高输出频率取决于C3 C4 R8 R9选频网络的值 和运放的响应频率 7 7 收获与体会收获与体会 通过此次课程设计 使我更加扎实的掌握了高频电子线路方面的知识 在设计过 程中虽然遇到了一些问题 但经过一次又一次的思考 一遍又一遍的检查终于找出了 原因所在 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足 实践出真知 通过亲 自动手制作 使我们掌握的知识不再是纸上谈兵 正弦波的产生电路时基于TL082集成运放实现的 通过放大电路的自激振荡来完成 这需要放大器满足自激振荡的条件 AF 1 设计的电路基本完成了 2n 设计的要求 但其中也有缺点和需要完善的地方 在正弦波部分缺点主要是波形有些 微弱的失真 波形的上升部分下降部分微弱的不对称 可能是由于选择的元器件精确 度不够 导致在调制的时候没有办法做到更加的准确 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的 只有理论知识是远 远不够的 只有把所学的理论知识与实践相结合起来 从理论中得出结论 才能真正 为社会服务 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力 在设计的过程中遇