畢業(yè)設計（論文）簡易信號發(fā)生器的設計

1、簡易信號發(fā)生器的設計目錄摘要abstract第1章 前言3第2章 信號發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀42.1信號發(fā)生器的基本介紹.42.2信號發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢.4第3章 方案的設計5 3.1 方案的選擇.5 3.2電路框圖及工作原理5第4章 單元電路設計.64.1直流穩(wěn)壓電源電路.6 4.1.1電路工作原理.6 4.2 正弦波振蕩電路7 4.2.1 電路工作原理.7 4.2.2參數(shù)計算.94.3 電壓比較器.104.3.1電路工作原理.104.3.2參數(shù)計算.114.4 積分電路.124.4.1電路工作原理.124.4.2參數(shù)計算.12第5章 整體電路仿真.145.1仿真方法145.2仿真結果.15第

2、6章 結束語.17參考文獻答謝詞附錄摘 要信號發(fā)生器是一種能夠產生多種波形，如三角波、方波、正弦波的電路。信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。本設計通過對信號發(fā)生器的原理以及構成進行分析，設計了正弦波方波三角波簡易信號發(fā)生器。設計中首先確定了電路方案：由直流穩(wěn)壓電源電路、文氏振蕩器、遲滯比較器、積分器組成；接著對各單元電路的的工作原理進行了分析，由直流穩(wěn)壓電源電路提供所需電壓，文氏振蕩器產生正弦波，遲滯比較器產生方波，積分器產生三角波，同時對電路中各元器件的參數(shù)進行了計算。最后利用相關儀器進行測試，測試達到了設計要求。關鍵詞：直流穩(wěn)壓電源電路；文氏振蕩器；遲滯比較器；積分器 a

3、bstractsignal generator is a kind of can produce much waveform, such as triangle wave, square wave, sine wave circuit. signal generator in the circuit experiment and test equipment in a very wide range of purposes. the design of the principle of the signal generator and structure analysis, design of

4、 sine wave-square wave-triangle wave simple signal generator. design of the first set by a dc voltage circuit scheme: power supply circuit, venturi oscillator,hysteresit comparator, integrator composed; then each unit circuit of the principle is analyzed by dc stabilized voltage power supply circuit

5、, provide the voltage required, venturi oscillator produce sine wave, hysteresit comparator produce square wave, integrators produce triangle, and at the same time in the circuit to wave the parameters of each component was calculated. finally, using the related instrument testing, testing meet the

6、design requirements.keywords: dc stabilized voltage power supply circuit; venturi oscillator; hysteresit comparator; integrator 第1章 前言能產生多種波形，如三角波、方波、正弦波的電路被稱為信號發(fā)生器，又稱信號源或振蕩器，在生產實踐和科技領域中有廣泛的應用。例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中都需要射頻發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻、視頻信號和脈沖信號運載出去，就需要產生高頻振蕩器。在工業(yè)、農業(yè)、生物醫(yī)學等領域內，如高頻感應加熱、熔煉、淬火、超聲診斷等，都需要功率或大或小

7、、頻率或高或低的信號發(fā)生器。信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有:（1）用分立元件組成的信號發(fā)生器，（2）可以由晶體管、運放ic等通用器件制作，更多的則是用專門的信號發(fā)生器ic產生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器ic，如l8038、ba205、xr2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300khz，無法產生更高頻率的信號，調節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節(jié)，二者互相影響。（3）利用單片集成芯片的信號發(fā)生器能產生多種波形，達到較高的頻率，且易于調試。（4）用專用直接數(shù)字合成dds芯片的信號發(fā)生器：能產生任意波形并達到很高的頻率。但成本較高。采用分立元件產生正弦波、方波、三角波的方案有

8、多種，先產正弦波，根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關系，再通過遲滯比較器電路將正弦波轉化為方波，經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣?。也可以先通過遲滯比較器產生方波，在經(jīng)過密爾積分電路產生三角波，最后通過差分放大電路經(jīng)三角波轉換成正弦波。本次設計采用分立元件產生正弦波、方波、三角波。電路的原理部分的設計，采用單元電路的設計方法，對直流穩(wěn)壓電源電路、文氏振蕩器、遲滯比較器、積分器四部分單元電路進行原理的分析，參數(shù)的計算，最后通過protel繪圖軟件將電路繪制出來。畫出仿真圖，并對仿真圖進行調試，觀察效果。第2章 信號發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀2.1信號發(fā)生器的基本介紹信號發(fā)生器應用廣泛，種類繁多，

9、性能各異，分類也不盡一致。按照頻率范圍分類可以分為：超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、視頻信號發(fā)生器、高頻波形發(fā)生器、甚高頻波形發(fā)生器和超高頻信號發(fā)生器。按照輸出波形分類可以分為：正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器，非正弦信號發(fā)生器又包括：脈沖信號發(fā)生器，信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。按照信號發(fā)生器性能指標可以分為一般信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。前者指對輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(wěn)定度以及波形失真等要求不高的一類信號發(fā)生器。后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調制系數(shù)等在一定范圍內連續(xù)可調，并且讀數(shù)準確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。2.

10、2信號發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢作為基礎測量儀器的信號發(fā)生器隨著用戶的需求而不斷發(fā)展。信號源實質上就是一個掃頻示波器或合成信號源，并具有基本的調制功能。現(xiàn)在是數(shù)字化時代，作為最基本的測量工具，測量儀技術指標上也不斷提高。如精度高、工作頻帶寬、誤差小等。能夠滿足不同層次用戶的測試要求。近幾年，數(shù)字化儀器在迅速發(fā)展，我國也在不斷研究推出各種新型數(shù)字化儀器。隨著電子技術的快速發(fā)展，新材料新器件層出不窮，開發(fā)新款式信號發(fā)生器，器件的可選擇性大幅增加，例如icl8038就是一種技術上很成熟的可以產生正弦波、方波、三角波的主芯片，利用單片機制作智能儀表也成為一種趨勢。第3章 方案的設計 3.1 電路方案的選擇

11、信號發(fā)生器實現(xiàn)的方法通常有以下幾種：（1）可以由晶體管、運放等通用器件制作，更多的則是用專門的信號發(fā)生器ic產生。早期的信號發(fā)生器ic，如icl8038、ba205等，調節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調節(jié)，二者互相影響。（2）用分立元件組成的簡易信號發(fā)生器：價格比芯片實惠，結構簡單，容易實現(xiàn)。由分析選擇方案（2）。3.2電路框圖及工作原理1電路框圖正弦波振蕩電路比較器積分電路圖3-1 電路組成框圖2電路工作原理根據(jù)圖3-1分析，正弦波振蕩電路可以產生正弦波，正弦波振蕩電路的輸出端作為電壓比較的輸入端，比較器又可產生方波，比較器的輸出端可作積分器的輸入端通過積分器輸出三角波。第4章 單元

12、電路設計 4.1直流電源電路 4.1.1電路工作原理 圖4-1 直流穩(wěn)壓電源方框圖小功率的穩(wěn)壓電源由四部分組成：（1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220v交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。（2）整流電路：利用單向導電元件，把50hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓、溫度、負載的變化而變化。圖4-2整流電路圖4-3 輸出波形圖整流電路常采用二極管單相全波整流電路，電路如圖4-2

13、所示。在u2的正半周內，二極管d1、d2導通，d3、d4截止；u2的負半周內，d3、d4導通，d1、d2截止。正負半周內部都有電流流過的負載電阻rl，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖4-3示。在橋式整流電路中，每個二極管都只在半個周期內導電，所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即ivd=1/2 io。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為(u2是變壓器副邊電壓有效值)。在設計中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的電流不能突變的特點，將電感器和負載電阻串聯(lián)或電容器與負載電阻并聯(lián)，以達到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，全波整流電路直流輸出電壓：uo1=

14、1.2 u2，直流輸出電流： （i2變壓器副邊電流的有效值。），穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。總體原理電路見圖4-4:圖4-4 直流穩(wěn)壓電路原理圖4.2 正弦波振蕩電路4.2.1 電路工作原理1正弦波產生電路正弦波振蕩電路能產生正弦波信號，它是在放大電路的基礎上加上正反饋網(wǎng)絡形成的。為了獲得單一頻率的正弦波，正弦波振蕩電路還必須包含選頻網(wǎng)絡。為了得到穩(wěn)定的等幅振蕩信號，正弦波振蕩電路還要有一個穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，因此，正弦波振蕩電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成。按選頻網(wǎng)絡組件不同，可分為rc、lc、石英晶體正弦振蕩電路。rc振蕩電路用來產生幾hz至1mhz的聲頻和超聲頻信號，lc振蕩

15、電路用來產生幾十khz至幾百mhz的高頻和超高頻信號，石英晶體正弦振蕩電路具有極高的頻率穩(wěn)定度。本設計選用rc振蕩電路。2r c橋式正弦振蕩電路 rc橋式正弦振蕩電路如圖所示。其中r1、c1和r2、c2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡，接于運算放大器的輸出與同相輸入端之間，構成正反饋，以產生正弦自激振蕩。r3、rw及r4組成負反饋網(wǎng)絡，調節(jié)rw可改變負反饋的反饋系數(shù)，從而調節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。圖4-5 r c橋式振蕩電路為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負反饋回路里加入非線性元件來自動調整負反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。圖中的兩個二極管d1，d2便是穩(wěn)幅元

16、件。當輸出電壓的幅度較小時，電阻r4兩端的電壓低，二極管d1、d2截止，負反饋系數(shù)由r3、rw及r4決定；當輸出電壓的幅度增加到一定程度時，二極管d1、d2在正負半周輪流工作，其動態(tài)電阻與r4并聯(lián)，使負反饋系數(shù)加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動態(tài)電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。為了維持電路輸出，必須使為了使電路能夠振蕩，必須使( 式4-6)當：r1=r2=r，c1=c2=c時電路的振蕩頻率： 起振的幅值條件:4.2.2 參數(shù)計算1.根據(jù)設計要求的振蕩頻率1khz，計算rc之積即 2確定r、c值為使選頻網(wǎng)絡的選頻特性盡量不受運放輸入、輸出電阻的影響，應按下列

17、關系選r的值，即 ri為運放同相輸入電阻（約幾百千歐以上），r0為其輸出電阻（約幾百歐下）因此，可選r=15k,則c的值為取標稱值c=0.01f。注意選用穩(wěn)定性較好、精度較高的電阻和介質損耗小的電容。所以r1=r2=r=15 k,c1=c2=c=0.01f;3確定r3, rf值電阻r3可根據(jù)式(4-6)來確定，通常取rf=2.1r3，這樣既能保證起振，又不引起嚴重的波形失真。另一方面，為了減小運算放大器輸入失真電流及其漂移的影響，應盡量滿足r=r3/rf，于是可導出r= r3/2r3 =15k 所以r3 =10k (取標稱值) rf=2.1r3=20k (取標稱值)4.3 電壓比較器4.3.1

18、 電壓比較器原理1方波產生電路電壓比較器是一種常見的信號幅度處理電路，在越限報警、波形整形、信號產生、模數(shù)轉換等各方面均有廣泛應用。常用的方波產生電路有過零比較器、窗口比較器、遲滯比較器。由于遲滯比較器具有既可以將干擾信號濾除而又使電路正常工作的優(yōu)點，所以本次設計選用該種電壓比較器。遲滯比較器的電路如圖4-7）所示。其輸入信號ui加在運算放大器的反相輸入端,同相輸入端接入?yún)⒖茧妷簎ref，在輸出端與同相輸入端接入正反饋電阻r6,在輸出回路還接有起限幅作用的雙向穩(wěn)壓二極管。使輸出電壓鉗制在-uz+uz。 圖4-7 遲滯比較器在電路中，引入電壓的增加，當ui很低時，運放a2輸出電壓的增加，當ui達

19、到上門限電壓uth+時 （4-8）比較器發(fā)生器翻轉，輸出低電平。此時輸出電壓當輸出電壓由高逐漸降低時，要一直降到下門限電壓 （4-9）比較器才有發(fā)生翻轉，比較器的輸出轉變?yōu)楦唠娖健t門限寬度為 （4-10）當輸出信號在兩個門限電壓之間時，比較器的輸出不發(fā)生變化。若干擾信號就在這兩個門限電壓之間，則電路的輸出沒有變化，相當于把干擾信號給濾除掉了。遲滯比較器的特性還常用電壓傳輸特性來表示，（ ut+ -ut-）稱為回差電壓，回差電壓的值可以按照電路工作地點的干擾情況通過實驗加以確定，以有效地濾除干擾。在生產實踐中，經(jīng)常需要對溫度、水位進行控制，這都可以用遲滯比較器來實現(xiàn)在一定的溫度范圍內或水位范圍

20、內的控制。同時遲滯比較器還經(jīng)常用于信號整形，如將一波形較差的矩形波整形成較理想的矩形波。3.2.2 參數(shù)計算1確定dw根據(jù)題目要求：up-p=10v，up-p=(uz+ud)，選擇uz=5v，即選擇uz的穩(wěn)壓值為5v穩(wěn)壓二極管。選擇in4733，其穩(wěn)壓值為5.1v，iz=49ma。2r7為穩(wěn)壓二極管限流電阻設uth=1v，則r7=7k。根據(jù)公式（4-10）有2r5/（r5+r6 ）=1/uz+ud , 取r6=10k，r5=91k，r10=9.1k。4.4積分電路4.4.1 電路工作原理求對某個信號進行一般的波形變換，可選用基本積分電路?；痉e分電路如圖3-3所示。圖4-11 積分電路輸出電壓

21、 （4-12）上式表明，uo與ui成積分關系，負號表示輸出電壓uo與輸入電壓ui反相，r8c3稱為積分時間常數(shù)。當ui為階躍電壓時，輸出電壓最后達到負飽和值。當ui一定時，uo隨著電容元件的充電按指數(shù)規(guī)律增長，其線性度較差。采用集成運算放大器組成積分電路，由于充電電流量是恒定的ifi1ui/r1的故uo是時間t的一次函數(shù)，從而提高了它的線性度。4.4.2 參數(shù)計算1確定時間常數(shù)=r8c3的大小決定了積分速度的快慢。由于運算放大器的最大輸出電壓uomax為有限值（通常uomax=10v左右），因此，若的值太小，則還未達到預定的積分時間t之前，運放已經(jīng)飽和，輸出電壓波形會嚴重失真。因此，當輸入信號

22、為正弦波時，的值不僅受運算放大器最大輸出電壓的限制，而且與輸入信號的頻率有關，對于一定幅度的正弦信號，頻率越低的值應該越大。2選擇電路元件（1）當時間常數(shù)=r8c3確定后，就可以選擇r8和c3的值，由于反相積分電路的輸入電阻ri=r8，因此往往希望r8的值大一些。在r8的值滿足輸入電阻要求的條件下，一般選擇較大的c3值，而且c3的值不能大于1f。=0.5ms取r8=10k，則c3=0.05f，這里取c3=0.051f。（2）確定r9r9為靜態(tài)平衡電阻，用來補償偏置電流所產生的失調，一般取r9=r8。如r8=ri=10k，r8也就是輸入電阻。3選擇運算放大器為了減小運放參數(shù)對積分電路輸出電壓的影

23、響，應選擇：輸入失調參數(shù)（uio、iio、ib）小，開環(huán)增益（auo）和增益帶寬積大，輸入電阻高的集成運算放大器a741。第5章 整體電路仿真5.1仿真方法通過對設計的電路進行實物模擬和調試。一方面是可以驗證所設計的電路是否能達到設計要求的技術指標，另一方面，通過改變電路中元器件的參數(shù)，使整個電路性能達到最佳值。以往的電路設計模擬，常常是制作一塊摸擬試驗板，在這塊板上用買實際元器件進行試驗和調試。取得數(shù)據(jù)后，再來修正原設計的電路參數(shù)，直至達到設計提出的要求。但由于受工作場地、儀器設備和元器件品種、數(shù)量的限制，有些試驗往往無法及時完成。這樣既影響工作的順利進行，又束縛了設計人員的手腳。為了克服上

24、述困難。加拿大interactive image technologies公司于20世紀80年代末、90年代初推出了專門用于電子線路仿真的“虛擬電子工作臺”（electronics workbench）軟件，它可以將上述不同類型的電路組合成混合電路進行仿真。目前已在電子工程設計、電子類課程教學等領域得到了廣泛的應用。electronics workbench是一種非常優(yōu)秀的電子技術實訓工具，因為掌握電子技術，不僅需要理論知識，而旦更重要的是通過實際操作來加深對內容的理解。作為電子類相關課程輔助教學和實訓手段，它不僅可以彌補實驗儀器、元器件缺乏帶來的不足，而且排除了原材料消耗和儀器損壞等因素，可

25、以幫助學生更快、更好地掌握課堂講述的內容，加深對概念、原理的理解，彌補課堂理論教學的不足，而且通過電路仿真可以熟悉常用電子儀器的測量方法，進一步培養(yǎng)學生的綜合分析能力、排除故障能力和開發(fā)、創(chuàng)新能力。electronics workbench最明顯的特點是仿真的手段切合實際。選用元器件和儀器與實際情形非常相近。繪制電路圖需要的元器件、電路仿真需要的測試儀器均可直接從屏幕上選取，而且儀器的操作開關、按鍵同實際儀器的極為相似，因此特別容易學習和使用。而且通過電路仿真，既掌握了電路的性能，又熟悉了儀器的使用方法。electronics workbench的元器庫不僅提供了數(shù)千種電路元器件選用，而且還提

26、供了各種元器件的理想值，因此仿真的結果就是該電路理論理想值。這對于驗證電路的原理和電子類課程的教學與實驗極為方便。同時也可以新建或擴充已有的元器件庫，而且建庫所需的元器件參數(shù)可從生產廠商的產品使用手冊中查到，因此大大方便了使用人員。5.2仿真結果通過ewb對電路進行仿真，結果如下：1 正弦波仿真波形正弦波仿真波形如圖5-1實測vp-p22.2v，與設計要求值vp-p=22v有一定誤差，但能滿足要求。圖5-1正弦波仿真波形2方波仿真波形方波仿真波形如圖5-2實測vp-p10.9v與設計要求值vp-p=11v有一定誤差，但能滿足要求。圖5-2方波仿真波形3 三角波仿真波形三角波仿真波形如圖4-3所示。實測vp-p5.06v與設計要求值vp-p=5v有一定誤差，但能滿足要求。5-3 三角波仿真波形第6章 結束語經(jīng)過這段時間的不懈努力，完成了信號發(fā)生器的設計。通過這次設計，我了解了信號發(fā)生器的用途及工作原理，熟悉了信號發(fā)生器的設計步驟，鍛煉了自己實踐能力，培養(yǎng)了獨立設計能力。同時，學會了查找相關資料相關標準，分析數(shù)據(jù)，提高了自己的繪圖能力，磨煉了自己的心理素質。此業(yè)設計是對我專業(yè)