室内巡视机器人设计和仿真实现学士学位论文

实用信号源的设计和制作目录TOC\o"1-3"\f\h\z第1章设计任务书 11.1任务 11.2要求 1第2章总体方案设计 22.1本设计总体方案 22.2正弦波信号生成方案 22.2.1振荡信号的生成方法 32.2.2RC振荡原理与振荡条件 32.2.3振荡电路的稳幅方法 52.3频率步进方案 6第3章电路设计和仿真分析 83.1RC振荡与稳幅电路设计 83.1.1电路参数计算 83.1.2电路仿真与分析 103.2正弦波调幅电路设计 113.2.1电路参数计算 113.2.2电路仿真与分析 123.3脉冲波生成电路设计 133.3.1电路参数计算 133.3.2电路仿真与分析 143.4频率计的设计 18第4章设计总结 20参考文献 21附录Ⅰ仿真电路图 22附录Ⅱ10MHZ频率计 23PAGE21设计任务书任务在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。要求1．基本要求

（1）正弦波信号源

①信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

②频率稳定度：优于10-4

③非线性失真系数≤3%

（2）脉冲波信号源

①信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

②上升时间和下降时间：≤1μs

③平顶斜降：≤5%

④脉冲占空比：2%～98%步进可调，步长为2%

（3）上述两个信号源公共要求

①频率可预置。

②在负载为600Ω时，输出幅度为3V。

③完成5位频率的数字显示。2．发挥部分

（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。

（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。

（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。

（4）降低正弦波非线性失真系数。总体方案设计本设计总体方案由于对可编程器件等知识掌握有限，本设计采用采用分立元件实现方案一：如图2.1所示。频率产生频率产生单元三角波正弦波方波图2.1信号输出方案一方案二：如图2.2所示。频率产生频率产生单元正弦波方波图2.2信号输出方案二考虑电路结构和实现方便，拟采用方案二。系统总体框图如图2.3所示。所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。频率产生单元由振荡电路和电压放大电路构成，能够产生频率可调的正弦波信号，正弦波信号的幅度调整后经电压比较器和脉冲调幅电路输出要求的脉冲波。振振荡电路稳幅电路正弦波调幅电路电压比较电路脉冲调幅电路正弦波脉冲波图2.3系统总体框图正弦波信号生成方案信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率设置精度、相位噪声、信号频谱纯度是信号发生器性能的重要指标，都与频率产生单元有关，在本设计中频率产生单元首先生成正弦波信号，正弦波信号的频率大小直接影响后面脉冲波信号的步进，因此正弦波正弦波信号的生成包括振荡和稳幅两个过程。振荡信号的生成方法振荡信号可以由三种形式的振荡器产生。1.LC振荡器这种振荡器，由于LC体积大、频率变化范围小、品质因数Q值较小，故一般不太适合用于低频信号振荡器，而在一般高频信号振荡器中使用较多。2.差频振荡器由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号，此差频信号经过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。这种振荡器频率覆盖面宽，缺点是受高频基准振荡器频率稳定度的影响很大，所以输出频率稳定性较差，在低频端尤为显著，使用时需要经常校正。3.RC振荡器RC振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，不仅降低了成本，而且还具有较高的频率稳定性，调节使用较方便，因而在低频信号发生器中被广泛地应用。典型的RC振荡器叫做文氏电桥振荡器。文氏电桥振荡器的优点是在同一频段内比LC振荡器的频率范围宽，其频率变化比值（以最高频率与最低频率之比表示）可达10∶1，而LC振荡器只有3∶1左右。振荡波形是正弦波，失真小。频率稳定性高，在所有工作频率范围内，振幅几乎等于常数。低频信号发生器中多采用这种电路。因此设计中采用RC振荡器产生正弦振荡信号。RC振荡原理与振荡条件正弦波产生电路一般应放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路几个基本组成部分。判断一个电路是否为正弦波振荡器，就看其组成是否含有上述四个部分。1.RC桥式振荡\o"电流流过的路叫做电路"电路的构成RC桥式振荡\o"电流流过的路叫做电路"电路如图2.4所示。RC串并联网络接在运算放大器的输出端和\o""同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外Rf、R1接在运算放大器的输出端和\o""反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路。由图2.5可见，正反馈\o"电流流过的路叫做电路"电路与负反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。可见,当ω=ω0=1/RC时，达到最大值且等于1/3,而相移φ=0，输出\o"电压"电压与输入电压\o""同相，所以RC串并联网络具有选频作用，此时输出\o"电压"电压频率为（2-1）图2.4RC桥式振荡电路2.正弦振荡条件判断正弦振荡的一般方法是：（1）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有可能振荡；（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。（3）分析是否满足幅度条件,检验，若①，则不可能振荡；②，能振荡，但输出波形明显失真；③，产生振荡。振荡稳定后，再加上稳幅措施，振荡稳定，而且输出波形失真小。对于图2.5，输入信号由\o""同相端输入（即振荡信号由此输入），根据虚短、虚断可求得负反馈闭环\o"电压"电压放大倍数为：（2-2）\o"振幅"振幅条件：（2-3）\o"相位是反映交流电任何时刻的状态的物理量"相位起振：（2-4）振荡\o"电流流过的路叫做电路"电路的稳幅方法1）热敏\o"电阻"电阻稳幅RC桥式振荡\o"电流流过的路叫做电路"电路的稳幅作用是靠热敏\o"电阻"电阻Rf实现的。Rf是负\o"电阻的温度系数"温度系数热敏\o"电阻"电阻，当输出\o"电压"电压升高，Rf上所加的电压升高，即温度升高，Rf的阻值减小，负反馈增强，输出幅度下降，反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R1的位置。若该\o"电流流过的路叫做电路"电路Rf为一固定\o"电阻"电阻,放大器Au为常数。起振时：则要求振荡平衡：则要求，只有当运算放大器进入非线性工作区才能使增益下降达到平衡条件,从而产生严重\o"失真"失真现象。②若该\o"电流流过的路叫做电路"电路RF为一负\o"电阻的温度系数"温度系数的热敏\o"电阻"电阻起振时：由于信号较弱，热敏\o"电阻"电阻RF处于冷态,阻值比较大，放大器Au值较大满足，很快振荡建立。振荡平衡：随信号增强,热敏\o"电阻"电阻RF温度升高,阻值减小，放大器Au值自动下降,在运算放大器还末进入非线性工作区时,达到平衡条件。2）二极管稳幅图2.5二极管稳幅电路及原理图2.5（a）中二极管VD1和VD2用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。起振时，由于集成运放的输出电压很低，VD1和VD2接近于开路，负反馈并联电路的等效电阻近似等于Rf，AF>1，电路产生振荡．随着集成运放输出电压的增大，当Rf上的分压超过二极管的正向导通电压时，流过Rf上的电流被分流，负反馈支路的反馈系数增大，迫使AF逐渐等于1，最终电路进入稳幅工作状态。考虑到调试的方便，设计中采用二极管稳幅方法。频率步进方案若要实现输出的信号频率范围为20Hz～20KHz，频率步进为5Hz，可以使用键盘或开关输入的方式，在这里为了调试方便，保证实验的精确性并且实现频率的细微调整，尤其是10KHz以上频率的微调，将频率按照10倍频程分为3段：20～200～2000～20KHz，每个频段的RC振荡电容分别为0.1F、0.01F、0.001F，由拨码开关J1实现电容的接入。设RC振荡电路串、并支路的电阻分别为和，电容分别为和。若R1=R2=R，C1=C2=C，则电路的振荡频率为（3-1）设频率由步进到，步长为5Hz，则电阻R的变化量为（3-2）在不同频段（C为不同值）时电阻R的取值和变化见表2-1。表2-1频率变化与电容、电阻的关系频率范围频率（Hz）电阻R（）频率增加5Hz时电阻的变化（）C=0.1F频率：20～200Hz2080K15.924K5031.85K2.9K10015.924K7602007.962K204频率范围频率（Hz）电阻R（）频率增加5Hz时电阻的变化（）C=0.01F频率：200～2KHz20080K1.942K50031.85K3151K15.924K802K7.962K20频率范围频率（Hz）电阻R（）频率增加5Hz时电阻的变化（）C=0.00频率：2K～20KHz2K80K1985K31.85K3210K15.924K820K7.962K2通过上面的分析计算知在不同的频段，当频率5Hz步进时，电阻R的变化不同，大到十几K，小到几，由于精度所限，大多数双联电位器的精度为5%，因此为实现频率的微小步进，应将电阻分档，实现频率由粗调到微调的细化。调频时，首先调节100K的双联电位器，再逐级调节10K、1K、100、20的电位器，这样可实现频率5Hz步进。电路设计和仿真分析本设计采用的设计方案为RC文氏桥振荡稳幅振荡正弦波调幅电压比较脉冲波调幅整形。RC振荡与稳幅电路设计电路参数计算图3.1为RC文氏桥振荡与稳幅电路。设计上采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段和步进。R11R115.1k?R101100k?Key=A50%R10210k?Key=A50%R1031k?Key=A50%R104100?Key=A50%R10520?Key=A50%12345J16C11nFC210nFC3100nF789R32.7k?R49.1k?D11N4148D21N414810VEE-15VVCC15VR215.1k?R201100k?Key=A50%R20210k?Key=A50%R2031k?Key=A50%R204100?Key=A50%R20520?Key=A50%1716151413C41nFC510nFC6100nFJ2201922R2410k?Key=A50%R2310k?30R2010k?31VCC15VVCCVEE-15VVEEU1ATL082CD3248123VCCVEER210k?Key=A50%120图3.1RC振荡电路电路仿真与分析下面以Multisim11.0为工作平台，分析RC桥式正弦波振荡电路。首先创建实验电路。运行Multisim11.0软件进入主窗口，将原理图中的所有元件和仪器从元件库中调出并设置好参数，编辑电路如图3.1，图中电路符号均采用北美标准（ANSI）。加上示波器和频率计，图3.1中RC文氏桥输出的电压接在示波器的ChannelA，稳幅电路的输出信号Vb接在示波器的ChannelB和频率计上。打开示波器面板，将Timebase设置为200s/DIV，显示方式设置为Y/T，ChannelA和ChannelB设置为5V/DIV。启动仿真开关后，若振荡没有建立，逐级调节双联电位器，直到波形无明显失真并满足频率要求。图3.2C=0.01F，R=55.56K时的正弦波稳幅输出图形和频率计的输出值，此时频率为452Hz，频率的稳定度很好。图3.2中振幅较大的是集成运放输出电压Vb的波形，振幅较小的是集成运放同相输入端电压Va的波形。图3.2C=0.01F时R=55.56K时的稳幅图形图3.3C=0.01F时R=55.56K时的频率计的输出调节1K的电位器的值，可实现频率步进，如图3.4所示，可见可以实现5Hz的步进。图3.4C=0.01F时R=R=55.56K时的频率计的输出正弦波调幅电路设计电路参数计算正弦波调幅电路如图3.5所示。图3.5正弦波调幅电路为实现300mv～3v的输出要求，在稳幅电路后设计了分压电路，分压后的输出电压Vc为：(3-3)该分压电路由开关J3控制其接入电路，当稳幅电路输出的电压较大时，按下开关J3，接入分压电路，降低Vc后，再由后面的调幅电路调整输出信号的幅度。在运放TL082的负反馈支路中设置了幅度粗调电位器R14和细调电位器R13，可实现输出电压的精确调整。电路仿真与分析先调节幅度粗调电位器R14，再调节细调电位器R13，在R为600时，可精确实现输出幅度为3V。图3.6所示为R=600时经调幅后的仿真图形图3.6R=600时经调幅后的仿真图形脉冲波生成电路设计电路参数计算脉冲波生成电路图如图3.7所示。其中第一个运放是电压比较器，其输出电压为正弦波调幅电路的输出电压Vd与Ve比较的结果，当Vd大于Ve时，运放输出满幅值+15V，当Vd小于Ve时，运放输出-15V。电位器R24用于调整比较电压Ve的大小，以便改变输出脉冲波的占空比。(3-4)第二个运放用来调节脉冲波的幅度，与正弦波幅度的调节方法相似。图3.7脉冲波生成电路电路仿真与分析当R24=5K时，占空比为50%，仿真图形如图3.8所示，上升时间为3.766，下降时间为3.766，与实验要求的1有差距，若在输出信号后加上触发电路整形，则波形会更理想，由于时间问题，这里暂不做调整。图3.8当R24=5K时，占空比为50%的仿真图形改变R24的值，占空比发生变化，如图3.9所示。图3.9改变占空比仿真图形当R=600时，经过调幅电路，通过调节R19和R25，可基本实现输出幅度为3V的要求，如图3.10所示图3.10R=600时经调幅后的仿真图形经比较两个频率计的读数，频率稳定度为100%，如图3.11和3.12所示 图3.11正弦波信号输出频率 图3.12方波信号输出频率频率计的设计因为时间紧迫，对于频率的测量使用的是Multisim本身带的频率计，如图3.13是我根据相关教程仿真的10MHZ频率计，不只是软件自身的BUG还是电路本身的问题，对于频率的测量不能精确完成，有待进一步的完善。设计总结本次设计从电路原理图设计、参数计算再到仿真，虽然没有经过实际电路的操作，但我从中受益匪浅，通过这个过程使我对学过的知识有了更深一步的理解，并且更加熟练地掌握了Multisim的用法，扩展了我的知识面，在这里，我要感谢老师给我这个机会，尽管不知结果如何，但这其中的过程已经让我很知足。参考文献[1]康华光.电子技术基础—模拟部分［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006：454～466．[2]蒋卓勤，邓玉元．Multisim2001及其在电子设计中的应用[M]．西安：电子科技大学出版社，2003．142~144．[3]田逸．一种利用EDA技术快速理解RC桥式正弦波振荡电路的教学方法[J]．重庆职业技术学院学报，2008，14(2)：64~65．[4]朱兆优,林刚勇,马善农,等.电子电路设计技术[M].北京:国防工业出版社，2007[5]杨建军.DDS+PLL组合系统及实例[J].电讯技术，2009，41(1):72274.[6]杨名利,谢玮,徐继文.简易低频信号发生器设计[J].机床与液压.1995,11(6):17-28.毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

致谢时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。首