超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器

1、 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 課程設(shè)計（論文）課程設(shè)計（論文）題目：題目：超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器 院（系）：院（系）： 電子與信息工程學(xué)院電子與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級：專業(yè)班級： 學(xué)學(xué) 號：號： 學(xué)生姓名：學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽字）起止時間：起止時間： 2012.7.22012.7.22012.7.132012.7.13 本科生課程設(shè)計（論文）- I -課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語課程設(shè)計（論文）任務(wù)及評語院（系） 電子與信息工程學(xué)院 教研室：電子信息工程本科生課程設(shè)計（論文）- II -注：成績：平時20% 論文質(zhì)量60% 答辯20% 以百分制計

2、算學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)班級課程設(shè)計題目超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器課程設(shè)計（論文）任務(wù)基本參數(shù)及要求：1 設(shè)計并制作一臺超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器2 線性失真度不大于 0.5%3 最低頻率 1HZ。 設(shè)計要求1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4 組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的

3、流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。進(jìn)度計劃1、布置任務(wù)，查閱資料，理解掌握系統(tǒng)的設(shè)計要求。 （1 天）2、確定振蕩方式，設(shè)計超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器接線圖。 （2 天）3、設(shè)計超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器各個單元電路圖。 （2 天）4、繪制總體電路圖。 （2 天）5、對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析系統(tǒng)性能。 （2 天）6、撰寫、打印設(shè)計說明書（1天）指導(dǎo)教師評語及成績平時： 論文質(zhì)量： 答辯： 總成績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日本科生課程設(shè)計（論文）- III -摘 要超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器具有產(chǎn)生可變低頻信號的功能，可用于通訊設(shè)備的測試和故障的檢修。正弦信號可用 RC 振蕩電路產(chǎn)生

4、，在該電路的負(fù)反饋加入二極管用來穩(wěn)幅產(chǎn)生的信號。但由于信號還比較弱，帶負(fù)載能力差則輸出前需要通過電壓放大器和功率放大器來提高帶載能力。設(shè)計信號發(fā)生器時考慮到信號可調(diào)，則在振蕩器正反饋支路電阻串聯(lián)滑動變阻器使得振蕩發(fā)出的信號頻率通過改變電阻而改變。再者振蕩電路中的兩個穩(wěn)幅二極管選擇一定要型號一致。信號通過電壓放大器放大時，放大器電路選擇射極偏置電路，這樣容易得出較高放大倍數(shù)的信號波。功率放大器選擇甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路，因為它的管耗低，效率卻高出了雙電源的一倍。功放管電路中加入兩個型號相同且門檻電壓與三極管 Vbe 相同且同向串聯(lián)接入電路中。通過個單元電路的設(shè)計組合成的超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器

5、，具有產(chǎn)生低頻可調(diào)穩(wěn)幅的正弦信號。經(jīng)過部分單元電路的仿真結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的效果。關(guān)鍵詞：超低頻；振蕩；放大器；反饋本科生課程設(shè)計（論文）- IV -目 錄第 1 章 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器設(shè)計方案論證 .11.1 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器應(yīng)用意義 .11.2 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器設(shè)計要求及技術(shù)指標(biāo) .11.3 設(shè)計方案論證 .11.4 總體設(shè)計方案的框圖及分析 .2第 2 章 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器各單元電路設(shè)計 .32.1 RC 振蕩電路設(shè)計 .32.2 電壓放大電路設(shè)計 .42.3 功率放大電路 .5第 3 章 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器整體電路設(shè)計 .63.1 整體電路圖及工作原理

6、.63.2 電路參數(shù)的計算 .73.3 整體電路的性能分析 .8第 4 章 課程設(shè)計總結(jié) .10參考文獻(xiàn) .11附錄 .12本科生課程設(shè)計（論文）1第 1 章 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器設(shè)計方案論證1.1 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器應(yīng)用意義本產(chǎn)品可用于通信設(shè)備的測試和障礙檢修，也可快速、準(zhǔn)確的尋找出電視機(jī)、音響、收音機(jī)及其它低頻放大電路的故障點。同時在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)、廣播電視系統(tǒng)、航天科學(xué)等領(lǐng)域也可用此種函數(shù)發(fā)生器來測試發(fā)出的低頻正弦波形?？梢?，正弦波振蕩電路在各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用是十分廣泛的。1.2 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器設(shè)計要求及技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)：1 設(shè)計并制作一臺超低頻可調(diào)正

7、弦信號發(fā)生器。2 線性失真度不大于 0.5%3 最低頻率 1HZ。設(shè)計要求：1 .分析設(shè)計要求，明確性能指標(biāo)。必須仔細(xì)分析課題要求、性能、指標(biāo)及應(yīng)用環(huán)境等，廣開思路，構(gòu)思出各種總體方案，繪制結(jié)構(gòu)框圖。2 .確定合理的總體方案。對各種方案進(jìn)行比較，以電路的先進(jìn)性、結(jié)構(gòu)的繁簡、成本的高低及制作的難易等方面作綜合比較，并考慮器件的來源，敲定可行方案。3 .設(shè)計各單元電路?？傮w方案化整為零，分解成若干子系統(tǒng)或單元電路，逐個設(shè)計。4. 組成系統(tǒng)。在一定幅面的圖紙上合理布局，通常是按信號的流向，采用左進(jìn)右出的規(guī)律擺放各電路，并標(biāo)出必要的說明。1.3 設(shè)計方案論證 總體方案流程為振蕩器、電壓放大器、功率放大

8、器，根據(jù)流程中的不同元器件設(shè)計制定了兩套方案，方案如下： 方案一：振蕩器采用普通 RC 振蕩電路，電壓放大器為同相放大電路，功率放大器采用甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路。本科生課程設(shè)計（論文）2 R方案二：振蕩器 RC 振蕩電路，其反饋電路中一個電阻同時并聯(lián)兩個反向并聯(lián)二極管，電壓放大器為共射級放大電路，功率放大器采用甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路。經(jīng)比較此次用方案二。雖然方案一結(jié)構(gòu)簡單容易設(shè)計，但振蕩器產(chǎn)生信號不穩(wěn)定，功率放大器管耗大效率相對低。而方案二振蕩器帶入二極管，使之產(chǎn)生穩(wěn)幅振蕩，功率放大器管耗相對低，效率高，考慮技術(shù)指標(biāo)和實驗要求此次設(shè)計采用方案二。1.4 總體設(shè)計方案的框圖及分析本設(shè)計通過此

9、低頻信號發(fā)生器采用晶體管開關(guān)電路，使電容器自動地充電和放電而產(chǎn)生低頻振蕩。振蕩電路產(chǎn)生可調(diào)低頻信號再由電壓放大電路提高信號，功率放大器增大功率提高帶載能力。RC 振蕩電路電壓放大電路功率放大 電路直流電源圖 1.1 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器本科生課程設(shè)計（論文）3第 2 章 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器各單元電路設(shè)計2.1 RC 振蕩電路設(shè)計 頻率特性為：Fv=22)0(31wwoww 相頻特性為： =-arctanF)(310wwww 當(dāng)振蕩頻率 W=W =時，此時的頻率響應(yīng)的幅值最大，即0RC1圖 2.1 RC 振蕩電路本科生課程設(shè)計（論文）4 F=,max31而且=0。F 要想使振蕩信號由弱

10、到強(qiáng)逐漸建立起來，并最終趨于穩(wěn)定，開始時 Av=略大于 3，達(dá)到穩(wěn)定后 Av=3，可得出自激振蕩的起振幅度條件為343RRR AF=1。當(dāng)振蕩頻率 W=W =時，RC 正反饋網(wǎng)絡(luò)的相移為 0，反饋系數(shù)最大，0RC1等于 1/3。為了保證振蕩器起振，應(yīng)有1,故 Av3。R3、R4 組成負(fù)反饋，其電壓放大倍數(shù) Av=,所以要求 R 2R432.2 電壓放大電路設(shè)計放大倍數(shù)是反映電路對信號的放大能力的一個參數(shù)，低頻放大器的電壓放大倍數(shù)是指輸入、輸出電壓有效值之比：Av=Uo/Ui.電路圖如圖所示由設(shè)計參數(shù)得出該電壓放大電路的增益 Av=-R/r，=100，則 R=3.3k，r=2.06k 得 Av

11、約為 160。得出此設(shè)計參數(shù)完全達(dá)到了放大振蕩信號的能力，為輸出適當(dāng)?shù)碾妷盒盘柼峁┝吮ＷC。圖 2.2 共射級放大電路本科生課程設(shè)計（論文）52.3 功率放大電路 功率放大器的任務(wù)是對信號進(jìn)行功率放大，提供不失真且功率足夠大的信號，以推動負(fù)載工作，功率放大器除了有較大的輸出功率外，還應(yīng)該有較高的效率。與 OCL 電路比較，它的最大特征是使用了單一電源供電，此時 V1 和 V2 的地發(fā)射及對地不在是零電位。電路圖如圖所示。 由于 V1 和 V2 的對稱性，鎖定了 V1 和 V2 發(fā)射極的靜態(tài)電壓為 Vcc/2,因此靜態(tài)電容器兩端電壓為 Vcc/2.這與 OCL 電路也有所不同。 當(dāng)有信號 vi 時

12、，在信號的負(fù)半周期，V1 導(dǎo)電，有電流通過負(fù)載 R1，同時向 C 充電；在信號正半周期，V2 導(dǎo)電，則已充電的電容 C 起著電源-Vcc 的作用，通過負(fù)載 R1 放電。只要選擇時間常數(shù) R1C 足夠大（比信號的最長周期還大的多），就可以認(rèn)為用電容 C 和一個電源 Vcc 可代替原來的甲乙類雙電源互補(bǔ)對稱電路中的 Vcc 和-Vcc 兩個電源的作用。圖 2.3 甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路本科生課程設(shè)計（論文）6第 3 章 超低頻可調(diào)正弦信號發(fā)生器整體電路設(shè)計3.1 整體電路圖及工作原理圖 3.1 超低頻可調(diào)正弦信號放大器電路本科生課程設(shè)計（論文）7上圖所示是一個頻率可調(diào)的低頻正弦信號發(fā)生器。它由

13、741 運算放大器及正負(fù)兩個反饋構(gòu)成主要部分，再由單級共射級放大電路和甲乙類單電源互補(bǔ)對稱電路組成信號放大和功率提高部分。信號發(fā)生器部分正反饋支路由六個電容 C1C6 和與之相連的兩個滑動電阻R1，R2，兩個定值電阻 R3,R4 組成。負(fù)反饋支路由電阻 R5，R6，R7 和兩個二極管 D1，D2 組成，兩個反饋支路結(jié)合構(gòu)成 RC 橋式振蕩。振蕩頻率分為三個頻段，通過改變 C1C6 和 R1，R2，使得輸出正弦信號 v1 變化。振蕩頻率調(diào)節(jié)范圍為20Hz20kHz。電壓放大倍數(shù) Ad =（R5+R6+R7）/R6，只要 Rd 稍大于 3，即可滿足起振條件。R5 兩端并聯(lián)了兩個二極管 D1，D2，

14、起作用是穩(wěn)定振蕩幅度。當(dāng)輸出幅度因某種原因增大時，流過 D1，D2 的電流也增大，二極管的動態(tài)電阻將減小，負(fù)反饋加強(qiáng)，增益下降，振蕩幅度自動降低。設(shè)二級管的門檻電壓為0.6V，則穩(wěn)幅時振蕩器輸出電壓 v1 約為 8V。3.2 電路參數(shù)的計算 (1) RC 振蕩部分的參數(shù)設(shè)計 計算 R,C 的值，根據(jù)已知條件,C=1/2fR,f1,得 RC1/2。 選擇電阻和，電阻和可根據(jù)2來確定，通常取 RFRRFRFR R=2.1，這樣既能保證起振，又不致引起嚴(yán)重的波形失真。穩(wěn)幅后 R5 變成FRR1.1k，得出輸出信號電壓值約為 8.35V。 穩(wěn)幅電路的作用及參數(shù)選擇在實際電路中，由于元件誤差、溫度等外界

15、因素的影響，振蕩器往往達(dá)不到理論設(shè)計效果。因此，一般在振蕩器的負(fù)反饋支路中加入自動穩(wěn)幅電路，根據(jù)振蕩幅度的變化自動改變負(fù)反饋的強(qiáng)弱，達(dá)到穩(wěn)幅的目的。穩(wěn)幅二極管的選擇應(yīng)注意以下兩點1） 為了提高電路的溫度穩(wěn)定性，應(yīng)盡量選用硅管。2） 為了保證上下振蕩對稱，兩個穩(wěn)幅二極管特性參數(shù)必須匹配.通過參數(shù)的計算振蕩頻率有三個范圍即：20Hz200Hz；200Hz2kHz：2kHz20kHz；(2) 電壓放大器參數(shù)設(shè)計分析與測試根據(jù)振蕩發(fā)出的信號設(shè)計電壓放大參數(shù),它的放大倍數(shù)約為 160。 (3) 低頻功率放大部分參數(shù)設(shè)計分析與測試由于 OTL 電路中三極管的實際靜態(tài)電壓是 Vcc/2,所以在以下分析中，遇

16、到 本科生課程設(shè)計（論文）8OTL 電路的對應(yīng)問題，應(yīng)該將電源電壓用 Vcc/2 代入。1. 功放的最大輸出功率 Pom理論上可以證明，當(dāng)忽略三極管飽和壓降的影響時，OCL 電路的最大輸出功率為 Pom=。LccRV22作為測量參數(shù)，人們實測的是最大不失真輸出平均功率，測量應(yīng)該在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，在功率放大器的輸入端加入頻率大于 1HZ 的正弦波信號，并逐漸增iu加的幅度，用示波器觀察負(fù)載兩端電壓波形，直到放大器輸出電壓幅度最大而iu又不出現(xiàn)飽和失真為止，用毫伏表測量輸入，輸出電壓，。則最大不失真輸iuou出平均功率為 Po=/。VO2RL忽略了三極管飽和壓降的影響后 Vcc 實際上就是 Vo

17、的最大值。因為毫伏表的讀數(shù)是交流電的有效值，在實測中使用此公式比較方便。2. 電源供給的平均功率DCP在直流電源上連接電壓表和電流表，使之能夠測量直流電源的輸出電壓和輸出電流；再在功率放大器輸入端接入頻率大于 1HZ 的正弦波信號，用示波器觀iu察輸出波形，當(dāng)輸出最大而又不失真時，讀取電流參數(shù)和電壓參數(shù) Vcc，實際coI電源供給平均功率為COCCDCIVP這個功率顯然包含了前級放大器的損耗，但由于前級放大器損耗相對總平均損耗而言是很小的，而且前級放大器總是與功放電路緊密配合使用，故上式能夠反映功率放大器的真實工作參數(shù)。若去除功率放大電路的激勵級的損耗影響，功放對管電路上的理想損耗為 2。Lc

18、cRV/23. 功率放大器的效率功放的效率定義為：輸出平均功率 Po 與電源供給平均功率的比值。DCP4. 最大管耗最大管耗指放大器在發(fā)揮最大不失真輸出平均功率條件下，在輸入信號一個周期內(nèi)三極管消耗功率的平均值?？梢姡x擇功放三極管時，為了能夠保證三極管正常工作，要求三極管最大管耗不應(yīng)超過三極管的最大允許功耗即,cmPcmomcmPPP2 . 03.3 整體電路的性能分析通過設(shè)計與不斷的改善，該電路能夠產(chǎn)生滿足設(shè)計要求一定頻率和幅度的正本科生課程設(shè)計（論文）9弦交流信號。其中最重要的部分就是振蕩電路的設(shè)計，而它的信號是靠自激振蕩產(chǎn)生的，也就是通過 RC 選頻網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。電壓放大部分實現(xiàn)了對輸

19、入電壓的放大作用。功率放大部分對信號進(jìn)行功率放大，提供不失真且功率足夠大的信號，以推動負(fù)載工作。它除了具有較大的輸出功率外，還有較高的效率。所以總體上來說，此電路達(dá)到了設(shè)計的要求，實現(xiàn)了超低頻正弦信號發(fā)生器的作用。部分單元電路仿真如下圖：圖 3.2 RC 振蕩器起振圖 3.3 RC 穩(wěn)幅圖 3.4 電壓放大器放大信號本科生課程設(shè)計（論文）10第 4 章 課程設(shè)計總結(jié)該超低頻正弦信號發(fā)生器通過 RC 振蕩產(chǎn)生信號，再通過電壓放大器和功率放大器產(chǎn)生一定頻率和功率的正弦信號波本次設(shè)計完成后如果沒正弦波出現(xiàn)，可能的問題是振蕩器起振條件沒有達(dá)到，即應(yīng)先保持振蕩增益 A1 略大于 3 調(diào)節(jié)滑動變阻器 R3 完成。出現(xiàn)波后再調(diào)整 R3使得 A1 等于 1 讓震蕩波穩(wěn)幅振蕩。如果波通過功率放大器后未能顯示出