信号源的设计和制作

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 23PAGE1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。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．[