正弦波发生器设计与仿真

1、1课程设计目的通过对正弦波发生器的设计和实现，掌握基本信号发生电路的工作原理及设计方法，掌握利用MulisimlO的基本操作，完成对电路的仿真和波形的测试分析;学会利用Protel2004,实现电路绘制以及PCB的生成以及学会设计方法和设计规则的设置，从而对信号发生器有进一步的了解。并能够对设计结果加以分析。提高对运算放大器非线性应用的知识，提高综合性实践环节中设计电路，运行仿真，设计印制电路板等综合能力。2.设计方案论证2.1概述本次课程设计主要通过Mulisim10和Protel2004软件完成正弦波发生器原理图的绘制及PCB图的绘制，课设题目为正弦波发生器2.2原理论证首先，我们知道波形

2、发生器与振荡是什么关系：振荡电路可以产生很多频率的波（比如一个脉冲方波就是多次谐波的叠加），从中选出所需的，也就是发生了特定频率的某种波。比如正弦波的发生就是从正弦波振荡电路中利用选频网络选出特定频率的正弦波。正弦波振荡器由基本放大器、反馈网络、选频网络的稳幅网络4部分组成，他们的作用分别是：放大器和反馈网络组成正反馈放大器，选频网络用来提取特定频率的正弦波发生器。振荡电路多种多样，下面讨论RC正弦波振荡电路：此种电路通常用来产生频率低于1MH的低频信号，它用被称为文氏电桥振荡电路。z如图1所示，R串R，C并C，与R和R构成了四臂电桥，反馈网络和选频网络有RC121234串并连电路（方框中的部

3、分）组成，反馈信号从运放的正向输入端输入，所以是正反馈，1选择的频率满足f二-，选参数时注意，R二R,CC,R二2R。o2兀RC12124311RC桥式正弦波振荡电路以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小，实现简单，易于调试等优点，因此选择次设计方案。2.3使用Mulisim10仿真软件实现电路的仿真如1图所示：沈阳大学图1的仿真结果如图2所示,可以验证f0。其中，T=2兀RC=0.0942s11从仿真结果中也可以看到。如图2所示:图2RC正弦波振荡电路仿真结果仿真时，现实的振荡发生器时因为外界环境扰动而起振的

4、，计算机仿真时，要模拟出这个扰动才能让振荡器起振，就是把R设置成一个电位器，把它稍微调离理论值，开启仿真4之后，再将R调回理论值即给振荡器一个扰动。42.4使用MulisimlO仿真软件实现电路的分析（1）选择瞬时分析、傅里叶分析和交流小信号分析；（2）设置瞬时分析起始时间、终止时间、不长时间和最大不长时间分别为0/10ms、200ns和2us；（3）设置傅里叶分析的基本频率为计算所得的频率、谐波数为5；（4）设置交流小信号分析的起始频率、终止频率、和测试点数分别为lkHz/lOkHz和1000，分析类型选择为线性；（5）运行仿真分析；（6）在瞬态分析输出结果中，观察输出电压V的波形，注意振荡

5、电路起振过程。利用光标A和B输出电压的频率和有效值；（7）在傅里叶分析输出结果中观察输出电压V的频谱分布，利用光标得出输出电压的直流分量、基波分量和各次谐波的分量的频率和大小。经过计算分析总结如表1：表1RC振荡器的工作过程分析类型分析结果瞬时分析Vo波形有效值（V）频率（Hz）如图30.71460付立叶分析分量名直流基波2次谐波3次谐波f(Hz)0146029204380Vo(V)00.950.030.16交流小信号分析特性曲线如图4振荡频率（Hz）1.55K(8) 将反向并联的二极管重新与电路连接，电阻R改为20kQ，运行瞬时分析再将电阻2R的值改为25kQ，运行瞬时分析2(9) 将电阻R

6、和R均改为20kQ，运行瞬时分析和交流小信号分析，观察电阻R和R3434保持为10kQ，电容C和C均改为0.02卩f,运行瞬时分析和交流小信号分析。12输出波形及分析结果如表2：表2稳幅环节、放大倍数和选频网络参数对振荡的影响稳幅环节对振荡的影响放大倍数对振荡的影响选频网络对振荡频率的影响稳幅环节有无R2值20K25K选频参数R=20KC=0.01uR=20KC=0.02uVo波形见图3见图5Vo波形如图6如图7振荡频率731Hz365Hz图6图73设计制作PCB操作流程运行Protel2004，直接选择File-New-PCB命令，则系统生成一张没有定义的边界的PCB图纸，然后对其参数做修改

7、，如图8所示：U【凶：国Wil活広目言耳心SUBIf.亠TH_：曰朋妊虚2；破園図丑册（T；:PCBl.PebDoc?ViewTlame=Pi图8PCB的工作界面图对图8所示的PCB图纸，选择Design-BoardShape-RedefineBoardShape命令进行重定义板型。此时，光标变成十字形没，工作窗口变成绿色，系统进入PCB外形窗口，在PCB图纸的适当位置点击鼠标作为起点，依次完成4个顶点的绘制，这样电路板的卫星轮廓偶就确定下来了，在绘制好的线框边界上双击既可以弹出“线条属性”的对话框，在该对话框中可以对线条宽和颜色等特定进行设置，在线条的属性设置完毕后可以选中Lock后面的复选

8、框，这样可以线条锁定，使其位置、线性等参数固定下来，不会受到移动、删除等所悟操作的影响。如图9所示:HdXP03SitIB痺劣巧目岂播+IEDIHCD自曲?碼型摇吉EJ:IKT枉明空I誉助（Hi;|i：i屮洱川町叫7|口|事“y厂:1曰|2)PWjectsV/nik.spawl雷丄讴1峠厂F._-./.LJScuc-eDodja_：:A:：:-FtesIM，宀J.TopLajri&RillanLsycr4申&4川DuuddiglegpOutLsyefAklMlilajjr*图9PCB外形编辑物理边界的设置包括交表，参考孔位置、外部尺寸等参数。通常选用一个机械层来设定物理边界，而在其他机械层放置

9、尺寸、对齐标记等。根据图9所裁出的PCB，选择Edit-Origin-Set命令设置PCB的坐标原点，鼠标这是变成十字形状，一边在PCB的左下角点击以设置坐标原点，为了精确定位，在操作中结合键盘上的PageUp和PageDown键进行放大和缩小操作。在PCB放置工具栏中单击选择Place-Line命令，此时光标变成十字形。将光标移动至（0,0）处，单击确定下边界的起点，然后移动鼠标至（2370,0）处，再单击确定下边界的终点，然后单击鼠标右键，此时就确定了下边界的长度和位置。在图9中，放置如图10所示的电路原理图。在Protel2004中先创建一个PCB的项目,向其中添加一个原理图文件和一个P

10、CB文件，并完成原理图的绘制和生成PCB。如图10所示:Hea-der2HprnJL-.lF-J.15KtReri|：5Kr：j1iFA1IlTU1ALT.jJ3bC3.1：1Ealer图10正弦波放大器在图10中，在绘制这张电路图的过程中，在选择器件的过程中，就可以有意识的选择合适的封装放置在电路中，例如电阻这个器件，就具有直插和切片两种封装，选择图11的封装形式。时缓冲放大器如图12所示5nfl=f.Kfi.|PtacD?MIAL-0.4Foalpi.?DijRiMT-SDE-dRilitorMlsceJIwVR34jRes:IheiniEaorMlLcdL-RSO1ZLlRmF.hIeh

11、MixcL-R2O12-LVl|JR:AbzixIdiMixcL-AIaL-0ljR知心tJRfc；F!匚出iclmpotrchangesfromLogamp命令，系统便会自动将原理图载入PCB中。自动布线。装入原理图至PCB后，把原件封装放入PCB的内部，这就需要对原件封装进行布局。Protel2004提供了强大的自动布局功能，用户只需要定义好规则，Protel可以将重叠的原件封装分离开。然后进行手工布局，系统对原件的自动布局一边以寻找最短布线路径为目标，因此原件的自动布局往往不理想，用户需要进行手工调整，或者直接用手工进行器件的布局。先选中改元器件，然后进行移动、旋转、翻转等操作。最终形成

12、最理想的布局效果，此时选AutoRoute-All命令，对整个PCB进行布线，根据电路图原理的复杂程度和布线难度的不同，Protel的布线时间也不用。布线完成后，就得到了如图14所示的PCB图。图14正弦波发生电路PCB4. 设计体会Multisim10,它不仅可以仿真弱电电子，也可以仿真强电，还可以仿真射频微波和FPGA。并且仿真的数据也很准确。Multisim是EWB的升级版，早先的时候，很多电子工程师热衷于使用EWB来辅助设计，Multisim却包含了许多具体的元器件，可以在里面找到相关的型号，然后开始验证自己的设计是否正确合理。但是有一个问题也会随之而来，就是在设计电路的时候不会从Mu

13、litisim中去查找合适的元件，而是根据要求与指标先查找合适的元件，然后再去验证自己的正确性，这样一来，就会有许多元件可能在Multisim中找不到，查找Multisim中相同参数的元件又很麻烦，幸好Multisim可以创建仿真元件模型，否则的话，我设计出来的东西就只有实际搭出来验证了，这样就会浪费很大的人力物力财力。PCB的设计，之前没有布板经验，经过这次课程设计之后终于体会到Protel2004的强大功能了，Protel2004引入了集成库的概念，这使得在原理图中选择的元器件就已经有了需要的封装，Protel2004附带了68,000多个元件的设计库，包括原理图FPGA设计的即调即用及预综合元件集成库，并且这些封装都能完全符合您的要求，当然，也可以修改这个元器件的封装，这种改进型的布线规则以及内部算法的优化都大大的提高了布线的成功率和准确率。在设计规则中制定每个板层的走线规则，包括最短走线，水平，垂直等等。在使用过程中我发现，只要布局适当，进行完全自动布线一次性成功率很高，而且布线完成后需要修改的地方也比较少，只是有几根走直角的线需要修改（走出直角与您的DRC设计规则设置有关）。多