實用信號源的設(shè)計和制作

/好用信號源的設(shè)計和制作目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章設(shè)計任務(wù)書 11.1任務(wù) 11.2要求 1第2章總體方案設(shè)計 22.1本設(shè)計總體方案 22.2正弦波信號生成方案 2振蕩信號的生成方法 32.2.2RC振蕩原理和振蕩條件 3振蕩電路的穩(wěn)幅方法 52.3頻率步進方案 6第3章電路設(shè)計和仿真分析 83.1RC振蕩和穩(wěn)幅電路設(shè)計 8電路參數(shù)計算 8電路仿真和分析 103.2正弦波調(diào)幅電路設(shè)計 11電路參數(shù)計算 11電路仿真和分析 123.3脈沖波生成電路設(shè)計 13電路參數(shù)計算 13電路仿真和分析 143.4頻率計的設(shè)計 18第4章設(shè)計總結(jié) 20參考文獻 21附錄Ⅰ仿真電路圖 22附錄Ⅱ10MHZ頻率計 23設(shè)計任務(wù)書任務(wù)在給定±15V電源電壓條件下，設(shè)計并制作一個正弦波和脈沖波信號源。要求1．基本要求

（1）正弦波信號源

①信號頻率：20Hz～20kHz步進調(diào)整，步長為5Hz

②頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4

③非線性失真系數(shù)≤3%

（2）脈沖波信號源

①信號頻率：20Hz～20kHz步進調(diào)整，步長為5Hz

②上升時間和下降時間：≤1μs

③平頂斜降：≤5%

④脈沖占空比：2%～98%步進可調(diào)，步長為2%

（3）上述兩個信號源公共要求

①頻率可預(yù)置。

②在負(fù)載為600Ω時，輸出幅度為3V。

③完成5位頻率的數(shù)字顯示。2．發(fā)揮部分

（1）正弦波和脈沖波頻率步長改為1Hz。

（2）正弦波和脈沖波幅度可步進調(diào)整，調(diào)整范圍為100mV～3V，步長為100mV。

（3）正弦波和脈沖波頻率可自動步進，步長為1Hz。

（4）降低正弦波非線性失真系數(shù)?？傮w方案設(shè)計本設(shè)計總體方案由于對可編程器件等學(xué)問駕馭有限，本設(shè)計接受接受分立元件實現(xiàn)方案一：如圖2.1所示。頻率產(chǎn)生頻率產(chǎn)生單元三角波正弦波方波圖2.1信號輸出方案一方案二：如圖2.2所示。頻率產(chǎn)生頻率產(chǎn)生單元正弦波方波圖2.2信號輸出方案二考慮電路結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)便利，擬接受方案二。系統(tǒng)總體框圖如圖2.3所示。所設(shè)計的信號發(fā)生器由振蕩電路、穩(wěn)幅電路、正弦波調(diào)幅電路、電壓比較電路、脈沖波調(diào)幅電路組成。頻率產(chǎn)生單元由振蕩電路和電壓放大電路構(gòu)成，能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波信號，正弦波信號的幅度調(diào)整后經(jīng)電壓比較器和脈沖調(diào)幅電路輸出要求的脈沖波。振振蕩電路穩(wěn)幅電路正弦波調(diào)幅電路電壓比較電路脈沖調(diào)幅電路正弦波脈沖波圖2.3系統(tǒng)總體框圖正弦波信號生成方案信號發(fā)生器的工作頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、頻率設(shè)置精度、相位噪聲、信號頻譜純度是信號發(fā)生器性能的重要指標(biāo)，都和頻率產(chǎn)生單元有關(guān)，在本設(shè)計中頻率產(chǎn)生單元首先生成正弦波信號，正弦波信號的頻率大小干脆影響后面脈沖波信號的步進，因此正弦波信號的產(chǎn)生方法特別正弦波信號的生成包括振蕩和穩(wěn)幅兩個過程。振蕩信號的生成方法振蕩信號可以由三種形式的振蕩器產(chǎn)生。1.LC振蕩器這種振蕩器，由于LC體積大、頻率變更范圍小、品質(zhì)因數(shù)Q值較小，故一般不太適合用于低頻信號振蕩器，而在一般高頻信號振蕩器中運用較多。2.差頻振蕩器由一穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率振蕩器和可調(diào)頻率振蕩器產(chǎn)生差頻信號，此差頻信號經(jīng)過低頻濾波、放大后作為信號源輸出信號。這種振蕩器頻率覆蓋面寬，缺點是受高頻基準(zhǔn)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響很大，所以輸出頻率穩(wěn)定性較差，在低頻端尤為顯著，運用時須要經(jīng)常校正。3.RC振蕩器RC振蕩器用電阻代替了電感器，使結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，不僅降低了成本，而且還具有較高的頻率穩(wěn)定性，調(diào)整運用較便利，因而在低頻信號發(fā)生器中被廣泛地應(yīng)用。典型的RC振蕩器叫做文氏電橋振蕩器。文氏電橋振蕩器的優(yōu)點是在同一頻段內(nèi)比LC振蕩器的頻率范圍寬，其頻率變更比值（以最高頻率和最低頻率之比表示）可達10∶1，而LC振蕩器只有3∶1左右。振蕩波形是正弦波，失真小。頻率穩(wěn)定性高，在全部工作頻率范圍內(nèi)，振幅幾乎等于常數(shù)。低頻信號發(fā)生器中多接受這種電路。因此設(shè)計中接受RC振蕩器產(chǎn)生正弦振蕩信號。RC振蕩原理和振蕩條件正弦波產(chǎn)生電路一般應(yīng)放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路幾個基本組成部分。推斷一個電路是否為正弦波振蕩器，就看其組成是否含有上述四個部分。1.RC橋式振蕩電路的構(gòu)成RC橋式振蕩電路如圖2.4所示。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接在運算放大器的輸出端和同相輸入端構(gòu)成了帶有選頻作用的正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外Rf、R1接在運算放大器的輸出端和反相輸入端之間，和集成運放一起構(gòu)成負(fù)反饋放大電路。由圖2.5可見，正反饋電路和負(fù)反饋電路構(gòu)成一文氏電橋電路，運算放大器的輸入端和輸出端分別跨接在電橋的對角線上，所以把這種振蕩電路稱為RC橋式振蕩電路?？梢?當(dāng)ω=ω0=1/RC時，達到最大值且等于1/3,而相移φ=0，輸出電壓和輸入電壓同相，所以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，此時輸出電壓頻率為（2-1）圖2.4RC橋式振蕩電路2.正弦振蕩條件推斷正弦振蕩的一般方法是：（1）是否滿足相位條件，即電路是否為正反饋，只有滿足相位條件才有可能振蕩；（2）放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無放大實力，靜態(tài)工作點是否合適。（3）分析是否滿足幅度條件,檢驗，若①，則不行能振蕩；②，能振蕩，但輸出波形明顯失真；③，產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后，再加上穩(wěn)幅措施，振蕩穩(wěn)定，而且輸出波形失真小。對于圖2.5，輸入信號由同相端輸入（即振蕩信號由此輸入），依據(jù)虛短、虛斷可求得負(fù)反饋閉環(huán)電壓放大倍數(shù)為：（2-2）振幅條件：（2-3）相位起振：（2-4）振蕩電路的穩(wěn)幅方法1）熱敏電阻穩(wěn)幅RC橋式振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏電阻Rf實現(xiàn)的。Rf是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，當(dāng)輸出電壓上升，Rf上所加的電壓上升，即溫度上升，Rf的阻值減小，負(fù)反饋增加，輸出幅度下降，反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負(fù)溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R1的位置。若該電路Rf為一固定電阻,放大器Au為常數(shù)。起振時：則要求振蕩平衡：則要求，只有當(dāng)運算放大器進入非線性工作區(qū)才能使增益下降達到平衡條件,從而產(chǎn)生嚴(yán)峻失真現(xiàn)象。②若該電路RF為一負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻起振時：由于信號較弱，熱敏電阻RF處于冷態(tài),阻值比較大，放大器Au值較大滿足，很快振蕩建立。振蕩平衡：隨信號增加,熱敏電阻RF溫度上升,阻值減小，放大器Au值自動下降,在運算放大器還末進入非線性工作區(qū)時,達到平衡條件。2）二極管穩(wěn)幅圖2.5二極管穩(wěn)幅電路及原理圖2.5（a）中二極管VD1和VD2用以改善輸出電壓波形，穩(wěn)定輸出幅度。起振時，由于集成運放的輸出電壓很低，VD1和VD2接近于開路，負(fù)反饋并聯(lián)電路的等效電阻近似等于Rf，AF>1，電路產(chǎn)生振蕩．隨著集成運放輸出電壓的增大，當(dāng)Rf上的分壓超過二極管的正向?qū)妷簳r，流過Rf上的電流被分流，負(fù)反饋支路的反饋系數(shù)增大，迫使AF慢慢等于1，最終電路進入穩(wěn)幅工作狀態(tài)?？紤]到調(diào)試的便利，設(shè)計中接受二極管穩(wěn)幅方法。頻率步進方案若要實現(xiàn)輸出的信號頻率范圍為20Hz～20KHz，頻率步進為5Hz，可以運用鍵盤或開關(guān)輸入的方式，在這里為了調(diào)試便利，保證明驗的精確性并且實現(xiàn)頻率的微小調(diào)整，尤其是10KHz以上頻率的微調(diào)，將頻率依據(jù)10倍頻程分為3段：20～200～2000～20KHz，每個頻段的RC振蕩電容分別為0.1F、0.01F、0.001F，由撥碼開關(guān)J1實現(xiàn)電容的接入。設(shè)RC振蕩電路串、并支路的電阻分別為和，電容分別為和。若R1=R2=R，C1=C2=C，則電路的振蕩頻率為（3-1）設(shè)頻率由步進到，步長為5Hz，則電阻R的變更量為（3-2）在不同頻段（C為不同值）時電阻R的取值和變更見表2-1。表2-1頻率變更和電容、電阻的關(guān)系頻率范圍頻率（Hz）電阻R（）頻率增加5Hz時電阻的變更（）C=0.1F頻率：20～200Hz2080K15.924K5031.85K2.9K10015.924K7602007.962K204頻率范圍頻率（Hz）電阻R（）頻率增加5Hz時電阻的變更（）C=0.01F頻率：200～2KHz20080K1.942K50031.85K3151K15.924K802K7.962K20頻率范圍頻率（Hz）電阻R（）頻率增加5Hz時電阻的變更（）C=0.00頻率：2K～20KHz2K80K1985K31.85K3210K15.924K820K7.962K2通過上面的分析計算知在不同的頻段，當(dāng)頻率5Hz步進時，電阻R的變更不同，大到十幾K，小到幾，由于精度所限，大多數(shù)雙聯(lián)電位器的精度為5%，因此為實現(xiàn)頻率的微小步進，應(yīng)將電阻分檔，實現(xiàn)頻率由粗調(diào)到微調(diào)的細(xì)化。調(diào)頻時，首先調(diào)整100K的雙聯(lián)電位器，再逐級調(diào)整10K、1K、100、20的電位器，這樣可實現(xiàn)頻率5Hz步進。電路設(shè)計和仿真分析本設(shè)計接受的設(shè)計方案為RC文氏橋振蕩穩(wěn)幅振蕩正弦波調(diào)幅電壓比較脈沖波調(diào)幅整形。RC振蕩和穩(wěn)幅電路設(shè)計電路參數(shù)計算圖3.1為RC文氏橋振蕩和穩(wěn)幅電路。設(shè)計上接受了多級電阻和多級雙聯(lián)電位器實現(xiàn)頻率的分段和步進。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圖3.1RC振蕩電路電路仿真和分析下面以Multisim11.0為工作平臺，分析RC橋式正弦波振蕩電路。首先創(chuàng)建試驗電路。運行Multisim11.0軟件進入主窗口，將原理圖中的全部元件和儀器從元件庫中調(diào)出并設(shè)置好參數(shù)，編輯電路如圖3.1，圖中電路符號均接受北美標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）。加上示波器和頻率計，圖3.1中RC文氏橋輸出的電壓接在示波器的ChannelA，穩(wěn)幅電路的輸出信號Vb接在示波器的ChannelB和頻率計上。打開示波器面板，將Timebase設(shè)置為200s/DIV，顯示方式設(shè)置為Y/T，ChannelA和ChannelB設(shè)置為5V/DIV。啟動仿真開關(guān)后，若振蕩沒有建立，逐級調(diào)整雙聯(lián)電位器，直到波形無明顯失真并滿足頻率要求。圖3.2C=0.01F，R=55.56K時的正弦波穩(wěn)幅輸出圖形和頻率計的輸出值，此時頻率為452Hz，頻率的穩(wěn)定度很好。圖3.2中振幅較大的是集成運放輸出電壓Vb的波形，振幅較小的是集成運放同相輸入端電壓Va的波形。圖3.2C=0.01F時R=55.56K時的穩(wěn)幅圖形圖3.3C=0.01F時R=55.56K時的頻率計的輸出調(diào)整1K的電位器的值，可實現(xiàn)頻率步進，如圖3.4所示，可見可以實現(xiàn)5Hz的步進。圖3.4C=0.01F時R=R=55.56K時的頻率計的輸出正弦波調(diào)幅電路設(shè)計電路參數(shù)計算正弦波調(diào)幅電路如圖3.5所示。圖3.5正弦波調(diào)幅電路為實現(xiàn)300mv～3v的輸出要求，在穩(wěn)幅電路后設(shè)計了分壓電路，分壓后的輸出電壓Vc為：(3-3)該分壓電路由開關(guān)J3限制其接入電路，當(dāng)穩(wěn)幅電路輸出的電壓較大時，按下開關(guān)J3，接入分壓電路，降低Vc后，再由后面的調(diào)幅電路調(diào)整輸出信號的幅度。在運放TL082的負(fù)反饋支路中設(shè)置了幅度粗調(diào)電位器R14和細(xì)調(diào)電位器R13，可實現(xiàn)輸出電壓的精確調(diào)整。電路仿真和分析先調(diào)整幅度粗調(diào)電位器R14，再調(diào)整細(xì)調(diào)電位器R13，在R為600時，可精的確現(xiàn)輸出幅度為3V。圖3.6所示為R=600時經(jīng)調(diào)幅后的仿真圖形圖3.6R=600時經(jīng)調(diào)幅后的仿真圖形脈沖波生成電路設(shè)計電路參數(shù)計算脈沖波生成電路圖如圖3.7所示。其中第一個運放是電壓比較器，其輸出電壓為正弦波調(diào)幅電路的輸出電壓Vd和Ve比較的結(jié)果，當(dāng)Vd大于Ve時，運放輸出滿幅值+15V，當(dāng)Vd小于Ve時，運放輸出-15V。電位器R24用于調(diào)整比較電壓Ve的大小，以便變更輸出脈沖波的占空比。(3-4)其次個運放用來調(diào)整脈沖波的幅度，和正弦波幅度的調(diào)整方法相像。圖3.7脈沖波生成電路電路仿真和分析當(dāng)R24=5K時，占空比為50%，仿真圖形如圖3.8所示，上升時間為3.766，下降時間為3.766，和試驗要求的1有差距，若在輸出信號后加上觸發(fā)電路整形，則波形會更志向，由于時間問題，這里暫不做調(diào)整。圖3.8當(dāng)R24=5K時，占空比為50%的仿真圖形變更R24的值，占空比發(fā)生變更，如圖3.9所