畢業(yè)設(shè)計（論文）函數(shù)信號發(fā)生器的仿真設(shè)計與研究

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計函數(shù)信號發(fā)生器的仿真設(shè)計 姓 名： 指導教師： 院 系： 信息工程學院 專 業(yè)： 電子信息工程專業(yè) 提交日期： 2011年 4 月 26 號 目 錄 中文摘要.2abstract.3引言.41概述.4 1.1 函數(shù)信號發(fā)生器作用意義.4 1.2 本文函數(shù)信號發(fā)生器要求.5 1.3 波形失真研究.5 1.3.1 失真的定義.5 1.3.2 失真分析方法.5 1.3.3 失真測量方法.5 1.3.4 失真測量中的幾個問題.62電路原理及主要元器件介紹.6 2.1 電路原理.6 2.2 555芯片介紹.73電路原理圖.93.1 函數(shù)信號發(fā)生器總電路圖.93.2 多諧振蕩器電路介紹.1

2、03.3 積分電路及其原理.114multisim介紹.125電路仿真及數(shù)據(jù)計算.12 5.1 方波接線圖.12 5.2 三角波接線圖.13 5.3 正弦波接線圖.14 5.4 電路數(shù)據(jù)的計算與分析.16參考文獻.18致謝.18函數(shù)信號發(fā)生器的仿真設(shè)計與研究 指導老師： （黃山學院電子信息工程學院，黃山，安徽245021）摘 要：本文函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計以555定時器組成的多諧振蕩器為核心。主要思路是多諧振蕩器在接通電源后能自行產(chǎn)生矩形波，方波通過積分電路將轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣ǎ遣ㄔ俳?jīng)積分網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也?，通過調(diào)節(jié)電路中相關(guān)電阻電容值可以改變占空比等波形參數(shù)，最終得到較好的波形。總電路使用軟件mu

3、ltisim進行仿真，通過軟件自帶示波器觀察最后所得到的波形，并通過失真分析儀研究波形失真度。關(guān)鍵詞：函數(shù)信號發(fā)生器；多諧振蕩器；multisimsimulation designning of function signal generator director：(huangshan university, huangshan, anhui, 245041)abstract:in this paper the design of function signal generator with composed of 555 timing for core. how harmonic oscil

4、lator main thought is in after plug-in power harmonic oscillator to generate rectangle wave, can by integral circuit will transform square to the triangle wave, triangle wave by integral network change again by regulating circuit for sine wave, the related resistance capacitance can change occupies

5、emptiescompared wavform parameters, such as finally got better waveform.total circuit using software simulation multisim through software own oscilloscope observe the resulting waveform distortion analyzer, through research waveform distortion degree.key word: function signal generator ；much harmoni

6、c oscillator ；multisim引言 函數(shù)信號發(fā)生器是指能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形信號的信號發(fā)生器，要求能夠長生形狀良好的方波，三角波，正弦波等波形，函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途，常用于科研，生產(chǎn)。除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。本次畢業(yè)設(shè)計旨在設(shè)計一函數(shù)信號發(fā)生器，并使用軟件進行電路仿真，要求電路簡單波形良好。函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計方案有很多，本文采用純硬件設(shè)計，以多諧振蕩器產(chǎn)生方波，經(jīng)過積分電路轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣?，再?jīng)過積分網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也?，最后以軟件multisim進行仿真。本文介紹了555定時器的參數(shù)，工作原理，及

7、利用555定時器聯(lián)接而成的多諧振蕩器，介紹了總電路的聯(lián)接方法及電路相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，介紹了multisim的使用方法及對本文所介紹函數(shù)信號發(fā)生器的仿真情況。在仿真過程中，記錄波形參數(shù)，研究其失真度。在設(shè)計完畢初步進行仿真之后，發(fā)現(xiàn)得到的波形存在較大失真，通過調(diào)節(jié)電路的電阻電容值，波形得以改善，最終得到了令人較為滿意的波形?？紤]到電路準確度問題，產(chǎn)生的波形可能會存在失真，在文章開頭介紹了波形失真的定義，并介紹了波形失真的分析，計算方法。1概述 1.1函數(shù)信號發(fā)生器作用意義 凡是產(chǎn)生測試信號的儀器，統(tǒng)稱為信號源，也稱為信號發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號。信號源可以根據(jù)輸出波形的不

8、同，劃分為正弦波信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器等四大類。函數(shù)信號發(fā)生器是指能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形信號的信號發(fā)生器，常用于科研，生產(chǎn)，維修和實驗中。例如在教學實驗中，常使用函數(shù)發(fā)生器的輸出波形作為標準輸入信號，接至放大器的輸入端，配合測試儀器，例如用示波器定性觀察放大器的輸出端，判斷放大器是否工作正常，否則，通過調(diào)整放大器的電路參數(shù)，使之工作在放大狀態(tài)；然后，通過測試儀器，獲得該放大器的性能指標。函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生信號頻率的范圍可從幾個微赫到幾十兆赫。而在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等

9、，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設(shè)備的激勵信號。當要求進行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。因此函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。另外除供通信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)域。 1.2本文函數(shù)信號發(fā)生器要求 1）、在給定的+6v直流電源電壓條件下，使用555芯片和運算放大器設(shè)計并制作一個多波形（方波、

10、三角波和正弦波）發(fā)生器 2）、信號頻率f：0.85khz1.14khz （實現(xiàn)頻率可調(diào)）3）、信號周期t：874us1.155ms4）、輸出電壓峰峰值：方 波：2vvp-p5v 三角波：220mvvp-p340mv 正弦波：4mvvp-p14mv 1.3波形失真的研究1.3.1失真度的定義失真度表征一個信號偏離純正弦信號的程度。失真度定義為信號中全部諧波分量的能量與基波能量之比的平方根值, 如果負載與信號頻率無關(guān), 則信號的失真度也可以定義為全部諧波電壓的有效值與基波電壓的有效值之比并以百分數(shù)表示, 如公式（1）： c= (1) 公式（1）中: c為失真度; p 為信號總功率; p 1 為基波

11、信號的功率; u 1 為基波電壓的有效值; u 2u n 為諧波電壓有效值。 1.3.2失真分析方法 目前測量失真度的原理大致分為兩類：基波剔除法和頻譜分析法。 一般模擬式的失真度測量儀都采用基波剔除法，通過具有頻率選擇性的無源網(wǎng)絡(luò)（如：諧振電橋，文式電橋，雙t陷波網(wǎng)絡(luò)等）抑制基波，由總電壓有效值和抑制基波后的諧振電壓有效值計算出失真度。 第二類失真度測量采用頻譜分析法，通過計算出各次諧波的大小來計算失真度。此類測量方法測量的最小頻率是2hz； 1.3.3測量方法 失真測量可以分為模擬法和數(shù)字化方法。 1）模擬法模擬法是只指測量中直接應(yīng)用模擬電路對信號處理測量失真度的方法。基于模擬法的失真度測

12、量儀由于前級電路有源器件的非線形，因此對小信號的測量不夠準確。模擬法又可分為基波抑制法和諧波分析法?；ㄒ种品ǖ氖д娑葴y量儀采用基波抑制原理，通過具有頻率選擇性的無源網(wǎng)絡(luò)抑制基波，由總的電壓有效值和抑制基波后的諧波電壓有效值計算出失真度?；ㄒ种品?gòu)成的失真測量儀可以解決的頻率的范圍為1hz1mhz，但測量準確度為5%30%，因此本實驗中不采用該種方法；諧波分析法的失真度測量中，用了頻譜分析儀和波形分析儀檢測信號中的基波和各次諧波的電壓，獲得基波和各次諧波的電壓并帶，從而計算出失真度。 2）數(shù)字化方法數(shù)字化方法是指先通過將信號數(shù)字化并送入計算機，在由計算機計算出失真度的測量方法。根據(jù)失真度的計

13、算方法可分為fft法和曲線擬合法。 1.3.4失真度測量中的幾個問題 1）測量方法或儀器的選擇 在實際測量中需要針對被測信號的頻率范圍、失真度的大小和測量環(huán)境的需求等因素, 合理地選取測量方法或測量儀器, 否則, 將會造成過大的測量誤差或測量成本的升高。 2）失真度測量精度的檢驗 對失真度測量精度的檢驗是失真度測量中涉及的重要問題, 尤其對于采用數(shù)字化測量算法的開發(fā)人員,如何生成失真信號進行仿真實驗驗證算法是一個至關(guān)重要的問題。由于三角波、方波和鋸齒波為自然失真波, 從理論上講由無窮多次諧波疊加而成, 比任何人為合成的標準失真源更為合理和精確 , 所以以上三種波形常被用作失真度測量儀檢定的典型

14、函數(shù), 非常適合于大中量程的檢定。采用典型失真檢定函數(shù)的方法, 對于數(shù)字化方法的失真度測量準確度的驗證和比較尤為方便。 3）噪聲干擾引入的誤差影響 在失真度測量中, 由硬件裝置內(nèi)部的干擾、噪聲等引入的雜散干擾, 以及失真度測量儀內(nèi)部所引起的附加失真度等因素的影響較小, 一些性能較好的失真度測量儀中這些影響可以小到(1 5) 10- 4量級。因此, 噪聲、干擾對大失真度的測量影響甚微, 但對于小失真度的測量影響較大。2電路原理及主要元器件介紹 2.1電路原理本次設(shè)計采用555定時器組成多諧振蕩器，在接通電源后自行產(chǎn)生矩形波，通過積分電路將矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣ǎ俳?jīng)積分網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也?。具體示意圖如

15、圖1所示。方波正弦波三角波多諧振蕩器 積分電路 積分電路 圖1 波形轉(zhuǎn)換示意圖 2.2 555芯片介紹 555定時器是一種集模擬、數(shù)字于一體的中規(guī)模集成電路，可以將輸入的模擬信號變化為一定的數(shù)字信號輸出，因而廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域。它不僅用于信號的產(chǎn)生和變換，還常用于控制和檢測電路中。555定時器的內(nèi)部電路由分壓器、電壓比較器c1和c2、由兩個與非門g1和g2組成的基本rs觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）、放電三極管t以及輸出反相緩沖器g3組成，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。圖2 555定時器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 引腳功能：vi1（th）：高電平觸發(fā)端，簡稱高觸發(fā)端，又稱閾值端，標志為th。vi2（）：低電平觸發(fā)端

16、，簡稱低觸發(fā)端，標志為。vco：控制電壓端。vo：輸出端。dis：放電端。：復位端。 555定時器內(nèi)含一個由三個阻值相同的電阻r組成的分壓網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生vcc和vcc兩個基準電壓；兩個電壓比較器c1、c2；一個由與非門g1、g2組成的基本rs觸發(fā)器（低電平觸發(fā)）；放電三極管t和輸出反相緩沖器g3。 是復位端，低電平有效。復位后, 基本rs觸發(fā)器的端為1（高電平），經(jīng)反相緩沖器后，輸出為0（低電平）。 分析555定時器的內(nèi)部電路圖可知：在555定時器的vcc端和地之間加上電壓，并讓vco懸空，則比較器c1的同相輸入端接參考電壓vcc，比較器c2反相輸入端接參考電壓vcc ，為了學習方便，我們規(guī)定：

17、當th端的電壓vcc時，寫為vth=1，當th端的電壓vcc時，寫為vtr=1，當端的電壓vcc時，寫為vtr=0。 1)低觸發(fā)：當輸入電壓vi2vcc 且vi1vcc 且vi1vcc，則vth=1，比較器c1輸出為低電平，無論c2輸出何種電平，基本rs觸發(fā)器因=0，使1，經(jīng)輸出反相緩沖器后，vo0；t導通。這時稱555定時器“高觸發(fā)”。 vco為控制電壓端，在vco端加入電壓，可改變兩比較器c1、c2的參考電壓。正常工作時，要在vco和地之間接001f（電容量標記為103）電容。放電管tl的輸出端dis為集電極開路輸出。555定時器的控制功能說明如表1所示。 表1 555定時器控制功能表輸

18、入輸 出thvodisll導通vccvcchh截止vcch不變不變vcchl導通 555定時器的內(nèi)部電路框圖及邏輯符號和管腳排列如圖3所示。 圖3（a） 555定時器內(nèi)部電路框圖 圖3（b） 555定時器管腳排列 3電路原理圖 3.1函數(shù)信號發(fā)生器總電路圖如下圖所示電路可同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波并輸出。其中555定時器接成多諧振蕩器工作形式，c2為定時電容，c2的充電回路是r2r3rpc2；c2的放電回路是c2rpr3ic的7腳(放電管)。由于r3+rpr2，所以充電時間常數(shù)與放電時間常數(shù)近似相等，由ic的3腳輸出的是近似對稱方波。按圖所示元件參數(shù)，其頻率為1khz左右，調(diào)節(jié)電位器rp可改

19、變振蕩器的頻率。方波信號經(jīng)r4、c5積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三角波再經(jīng)r5、c6和r6、c7積分網(wǎng)絡(luò)，輸出正弦波。c1是電源濾波電容。發(fā)光二極管vd用作電源指示。如圖4所示電路可同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波并輸出。圖4 函數(shù)信號發(fā)生器電路原理圖 3.2多諧振蕩器電路介紹 用555定時器組成的多諧振蕩器及工作波形如圖5所示。 圖5（a）555定時器組成的多諧振蕩器 圖5（b）多諧振蕩器工作波形 接通電源后，電容c被充電，當1上升到vcc時，使為低電平，同時放電三極管t導通，此時電容c通過r2 和t放電，當1下降到vcc 時，翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器c放電所需的時間為 t1 =0.7r2 c (2)

20、當放電結(jié)束時，t截止，vcc將通過r1和r2向電容器c充電，1由vcc上升到vcc所需的時間為 t2 =0.7( r1 + r2)c (3） 當1上升到vcc時，電路又翻為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。電路的工作波形如下 其振蕩頻率為 f =1.43/( r1 + 2r2)c （4） 占空比 q%= t2/(t1+t2) （5） 3.3積分電路及其原理 1）積分電路結(jié)構(gòu)及波形如圖6所示。uiuitttke輸入電壓波形tuo r uorctkc積分電路輸出電壓波形 圖6（a）積分電路結(jié)構(gòu)圖 圖6（b）積分電路輸入輸出波形由積分電路得： （6） 則: （7）

21、（8） 幅頻特性： （9） 相頻特性： （10） 2）積分電路原理rc積分電路如圖所示，是脈沖技術(shù)中常用的電路之一，該電路的時間常數(shù)t較大，一般取t=10tk。 當輸入信號ui在t1時刻u0(ti)=0 ，此后ui向c 充電，u0按指數(shù)規(guī)律上升；在t1t3其間，ui=0,電容c處于放電狀態(tài)，u0下降，在t3t4其間u0又按指數(shù)規(guī)律上升，如此周而復始，就得到了近似鋸齒波的輸出電壓，如圖u0的波形，矩形脈沖的占空比不同，輸出電壓的幅度也不同。顯然，占空比越大，輸出電壓的幅度也就越接近輸入信號的幅度e.4 multisim介紹 multisim是interactive image technolog

22、ies (electronics workbench)公司推出的以windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。multisim提煉了spice仿真的復雜內(nèi)容，這樣無需懂得深入的spice技術(shù)就可以很快地進行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計，這也使其更適合電子學教育。通過multisim和虛擬儀器技術(shù)，pcb設(shè)計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計和測試這樣一個完整的綜合設(shè)計流程。本次電路仿真使用multisim 9。 multisim 9由構(gòu)建仿真電路；仿真電路環(huán)

23、境；multi mcu單片機仿真 ；fpga、pld，cpld等仿真；fpga、pld，cpld等仿真；通信系統(tǒng)分析與設(shè)計的模塊；pcb設(shè)計模塊組成：multisim 9可進行器件建模及仿真，可以建模及仿真的器件包括模擬器件（二極管，三極管，功率管等），數(shù)字器件（74系列，coms系列，pld，cpld等）；fpga器件；電路的構(gòu)建及仿真；系統(tǒng)的組成及仿真；儀表儀器原理及制造仿真；器件建模及仿真。經(jīng)過數(shù)個版本發(fā)展multisim 9可以根據(jù)自己的需求制造出真正屬于自己的儀器；所有的虛擬信號都可以通過計算機輸出到實際的硬件電路上;所有硬件電路產(chǎn)生的結(jié)果都可以輸回到計算機中進行處理和分析。5電路的

24、仿真及數(shù)據(jù)計算 5.1方波接線圖 方波接線圖如圖7所示,由多諧振蕩器輸出端作方波輸出端，接入示波器。所得方波波形如圖8所示。圖7 方波電路接線圖圖8 方波波形 5.2三角波接線圖 三角波接線圖如圖9所示，由方波輸出端經(jīng)積分電路作為三角波輸出端，接入示波器，所得三角波波形如圖10所示。 圖9 三角波接線圖圖10 三角波波形 5.3正弦波接線圖 正弦波接線圖如圖11所示，由三角波輸出端經(jīng)過積分電路作為正弦波輸出端，接入示波器，所得正弦波波形如圖12所示。 圖11 正弦波接線圖圖12 正弦波波形 multisim電路仿真實驗數(shù)據(jù)如表2所示。表2 電路仿真波形參數(shù)表周期t頻率f三角波峰值vp正弦波峰值

25、vp方波峰值vp三角波峰峰值vp-p正弦波峰峰值vp-p方波峰峰值 vp-p1.272ms786hz136.517mv3.190 mv2.566v247mv6.705mv5.012v 5.4電路數(shù)據(jù)的計算與分析 根據(jù)圖13，由555定時器組成的振蕩電路分析得：圖13 多諧振蕩器圖 電容c1的放電時間由（2）式可得：t1=(r3+rp)c1ln20.7(r3+rp)c1 代入數(shù)據(jù)可得434us t1574us 電容c充電時間由（3）式可得：t2=(r2+r3+rp)c1ln20.7(r2+r3+rp)c1 代入數(shù)據(jù)可得441us t2581us 故電路的振蕩周期由（4）式可得： f=1/(t1+

26、t2)0.7/(r1+2r2+2rp)c1 代入數(shù)據(jù)可得866hz f1144hz輸出波形占空比由（5)式可得：q(%)= t2/(t1+t2) 100%50% 仿真完成時通過觀察multisim示波器查看波形，發(fā)現(xiàn)正弦波存在失真，記錄一定時間內(nèi)波形數(shù)據(jù)，如表3，在一定時間內(nèi)頻率變化如表4所示。表3 示波器測量數(shù)據(jù)記錄表電位器r周期t頻率f三角波峰值vp正弦波峰值vp方波峰值vp三角波峰峰值vp-p正弦波峰峰值vp-p方波峰峰值vp-p0%1.006ms977.2hz118mv7.2 mv2.04v228mv12.6mv3.76v100%1.153ms863.3hz122mv6.8 mv2.0

27、4v234mv13mv3.76v 表4 頻率變化數(shù)據(jù)（5分鐘內(nèi)）rpfmaxfmin0%1009hz993.7hz100%863.3hz786hz 占空比： q(%)=t2/(t1+t2)=50%頻率穩(wěn)定度： rp取0%時 =(fmax-fmin)/f0100%=（1009-993.7)/1144=1.34%1% rp取100%時 =(fmax-fmin)/f0100%=（863.3-786）/866=8.89%1% 通過multisim提供的失真分析儀觀察正弦波輸出端，發(fā)現(xiàn)確實存在失真，如圖14，經(jīng)分析原因可能是電路電阻電容值沒有調(diào)到最佳，其次在仿真時，為了使結(jié)果更加接近現(xiàn)實，選擇了存在允許誤差的元器