Mul基础电路及其仿真 4

第8章信号发生器本章知识结构Multisim仿真分析：瞬态分析、交流分析信号发生器概述定义信号发生器（又称振荡器）是模拟电路中的另一种应用电路。与放大电路的区别无须外加激励信号能产生具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变信号本质信号发生器是一种能自动地将直流电源能量转换为一定波形的交变信号能量的电路。8.1RC桥式正弦波振荡器实用的RC正弦波振荡电路结构多种多样，其中一种典型结构是RC桥式正弦波振荡电路，又称文氏桥振荡电路。8.1.1电路RC正弦波振荡电路仿真图：图8-1RC正弦波振荡电路仿真图电路包含运放U1（3554SM）、RC串并联选频网络、稳幅二极管D1/D2（1N4148）及相关电阻，构成完整的正弦波振荡系统。8.1.1电路组成RC桥式正弦波振荡电路由四个部分组成：①放大+稳幅运放、电阻R1、R2、R6和二极管D1、D2构成可变增益同相放大电路（放大、稳幅二合一）②选频+正反馈RC串并联选频网络构成正反馈电路（选频、正反馈二合一）③桥路结构负反馈网络中的R1、R2（包括D1、D2和R6）、正反馈网络中的串联RC和并联RC各可视为一臂而构成桥路④净输入集成运放的两个输入端分别接在桥路的两个顶点上，作为集成运放的净输入电压；集成运放的输出端和"地"分别接在该桥路的另外两个顶点上，作为电路的输出8.1.2仿真—RC串并联选频网络(a)RC串并联选频网络仿真方法：在RC串并联选频网络输入端接入交流源V1，对电路输出端进行交流分析，得到电路的频率特性曲线。电路参数：R1=R2=10kΩ，C1=C2=10nF，输入信号V1=1Vpk，1kHz，0°。8.1.2仿真—频率特性曲线频率特性曲线（b）：(b)频率特性结论：RC串并联网络具有带通滤波器的选频特性。交流分析（ACAnalysis）结果显示，幅频特性曲线在谐振频率处出现峰值，两侧幅度下降，体现出带通滤波特性。8.1.2仿真—瞬态分析图8-3RC正弦波振荡电路瞬态分析RC正弦波振荡电路瞬态分析：对RC正弦波振荡电路仿真图的输出端进行瞬态分析，可以看到输出波形。图中显示：波形从小到大，即从起振到输出稳定的全过程。8.1.3实验面包板上的RC桥式正弦波振荡电路：图8-4面包板上的RC桥式正弦波振荡电路实物电路搭建在面包板上，使用集成运放芯片（BA17741）、电阻、电容及二极管等元件，按照仿真图的连接方式进行搭建。8.1.3实验步骤实验步骤（利用雨珠3口袋仪器）：Step1：点击电源，设置+5V和-5V图8-5设置电源电压+5V和-5V使用雨珠3口袋仪器的InstrumentsPlayground软件，在Supplies选项卡中分别设置正负电源电压，确保MasterEnable处于On状态。8.1.3实验结果Step2：点击示波器，观察输出波形（此时波形可能有失真）图8-6输出波形有失真Step3：调节微调电阻，使波形无明显失真图8-7输出波形无明显失真8.2LC正弦波振荡器概述电路组成一般由分立元件组成，也可由高速运放构成选频网络由电感和电容组成常见类型变压器耦合反馈振荡电路三点式振荡电路：电感三点式、电容三点式振荡电路（重点介绍）8.2.1电路—电容三点式振荡电路图8-8电容三点式振荡电路

8.2.1电路—原理图与参数图8-9电容三点式振荡电路的原理图起振条件

振荡频率

8.2.2仿真—三种电容三点式振荡电路(a)共射振荡电路对图8-10(c)共集振荡电路进行瞬态分析，得到输出波形。三种电容三点式振荡电路中，晶体管工作在不同组态：三种组态（共射、共基、共集）的电容三点式振荡电路各有特点，可根据实际需求选择合适的组态。8.2.2仿真—共基与共集振荡电路(b)共基振荡电路(c)共集振荡电路图8-10三种电容三点式振荡电路仿真图8.2.2仿真—共集振荡电路输出波形对图8-10(c)进行瞬态分析，得到该电路的输出波形：图8-11共集振荡电路输出波形图中可以看到：输出波形从小到大，电路从起振到波形稳定的全过程。8.3矩形波发生器组成：由RC充放电电路和滞回比较器组成的矩形波发生器8.3.1电路—双电源矩形波发生器电路原理图：图8-12由集成运放构成的矩形波发生器电路构成

8.3.1电路参数—峰峰值与电容电压（1）输出矩形波的峰峰值

8.3.1电路参数—振荡周期与占空比（3）振荡周期T矩形波的振荡周期为：

（4）占空比D

8.3.2仿真—双电源矩形波发生器仿真图（a）：（利用集成运放741）仿真电路采用集成运放741，配合RC充放电网络和背靠背稳压管，实现双电源矩形波（方波）输出。

8.3.2仿真—单电源矩形波发生器(a)仿真图单电源矩形波发生器组成：集成电压比较器TLC393CD电阻R1、R2、R3和上拉电阻RL组成单电源反向输入滞回比较器R、C组成充放电电路单电源矩形波发生器使用TLC393CD电压比较器，适合单电源供电场合，结构简单，应用广泛。8.3.2仿真—单电源输出波形通过瞬态分析，看到的电路输出波形：(b)输出波形图8-14单电源矩形波发生器仿真图及其输出波形8.3.3实验—运算放大器测试仪设计图8-15运算放大器测试仪仿真图实验任务：设计一个运算放大器测试仪设计思路利用运放构建一个单电源矩形波发生器用输出的矩形波电压作用于两个LED判断标准：若两个LED交替发光，说明运放是好的；否则，运放不可用8.3.3实验—面包板实物图8-16面包板上的运算放大器测试仪实验结果：根据LED的亮度，适当调整了图中元件参数（与仿真图略有不同）。接入5V电源电压，可以看到两个LED交替发光。8.4方波-三角波发生器设计思路：利用方波发生器和积分器的组合，便可以同时产生方波和三角波。8.4.1电路—方波发生器与积分器组合方波发生器和积分器的组合（a）：将方波发生器的输出接入积分器的输入，积分器对方波进行积分，输出三角波，实现两种波形的同时输出。8.4.1电路—优化思路与原理图电路优化思路

(b)电路优化图8-17方波-三角波发生器电原理图8.4.1电路—重要参数几个重要参数（1）输出矩形波的幅值

（2）输出三角波的幅值

（3）振荡周期

实际调整顺序第一步

第二步再调整RC，使振荡周期满足要求8.4.2仿真方波-三角波发生器仿真图（a）：仿真电路由同相滞回比较器（运放A1）和积分器（运放A2）组成，背靠背稳压管限制方波幅度，RC网络决定振荡频率。8.4.2仿真—输出波形通过瞬态分析，可以同时看到电路输出的方波和三角波，并利用光标测量相关参数：(b)输出波形图8-18方波-三角波发生器仿真图及其输出波形8.4.3实验—实验电路方波-三角波发生器实验电路仿真图：图8-19方波-三角波发生器实验电路图改进点图中用LED1和LED2取代了背靠背稳压管：利用LED工作时基本稳定的正向电压，来稳定方波的幅度利用LED对电路工作起到指示作用8.4.3实验—面包板与实验步骤面包板上的方波-三角波发生器：图8-20面包板上的方波-三角波发生器实验步骤：利用雨珠3口袋仪器Step1：点击电源，设置+5V和-5V(a)设置电压+5V和-5V8.4.3实验—输出波形Step2：点击示波器，利用雨珠3的双踪示波器，同时观测方波和三角波(b)输出波形图8-21方波-三角波发生器实验8.5锯齿波发生器设计思路：在方波-三角波发生器的基础上，设法使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊，就可以得到锯齿波信号。8.5.1电路图8-22锯齿波发生器电路

8.5.1电路参数（1）锯齿波的幅值

（2）振荡周期

8.5.1电路参数调整说明参数调整总结调整对象效果

改变锯齿波的幅值

改变振荡周期电位器滑动端位置改变锯齿波上升和下降的时间，但不影响锯齿波的周期8.5.2仿真锯齿波发生器仿真图（a）：

8.5.2仿真—输出波形通过瞬态分析，可以同时看到电路输出的矩形波和锯齿波：(b)输出波形图8-23锯齿波发生器仿真图及其输出波形8.5.3实验—线性锯齿波电路图8-24线性锯齿波电路仿真图实验电路选择：以LM555为核心，结合电流镜和电压跟随器，构成的线性锯齿波电路LM555定时器产生触发信号，电流镜提供恒定充电电流，使电容线性充电，电压跟随器缓冲输出，从而得到线性度良好的锯齿波。8.5.3实验—面包板与实验步骤图8-25面包板上的锯齿波发生器电路Step1：利用雨珠3口袋仪器，点击电源，设置+5V和-5V(a)设置电源电压+5V和-5V8.5.3实验—锯齿波观测Step2：点击示波器，观测电路输出的线性锯齿波，通过调节微调，可以调节锯齿波的周期：(b)锯齿波1(c)锯齿波28.5.3实验—锯齿波3(d)锯齿波3图8-26线性锯齿波电路实验通过调节微调电阻，可以改变LM555的振荡频率，从而调节锯齿波的周期。三幅图展示了不同周期下的锯齿波波形。8.6V-F转换电路定义：电压-频率（V-F）转换电路是一种电压控制的方波发生器，也是一种压控振荡器。8.6.1电路V-F转换电路组成

图8-27电压-频率转换电路8.6.1电路振荡频率电路的振荡频率为

8.6.2仿真仿真设置将电源E设置为锯齿波，随着E的线性增长，输出电压的频率也将随之线性增大，这就实现了扫频。控制电压源设置波形：三角波占空比：98%频率：20Hz幅值：6V偏置：6V效果：电压在0～12V之间变化的锯齿波(a)仿真图8.6.2仿真—输出波形通过瞬态分析，可以清楚地看到输出电压的频率随着控制电压的增大而增大的全过程：(b)控制电压（锯齿波波形）和输出电压（扫频波形）图8-28V-F转换电路仿真8.6.3实验—面包板与步骤图8-29面包板上的V-F转换器Step1：利用雨珠3口袋仪器，点击电源，设置电源电压+5V和-5V(a)设置电源电压+5V和-5V8.6.3实验—信号源设置与锯齿波Step2：点击信号源，设置锯齿波参数设置值频率20Hz幅值2V偏置2V效果0～4V的锯齿波(b)设置0～4V锯齿波8.6.3实验—输出扫频方波Step3：点击示波器，观测电路输出的扫频方波(c)输出的扫频方波(d)锯齿波一个周期内的扫频方波图8-30V-F转换器实验本章总结第8章信号发生器—核心知识点回顾电路类型核心组成关键特性RC桥式正弦波振荡器RC串并联选频网络+可变增益同