實用信號源的設計和制作目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章設計任務書11.1任務11.2要求1第2章總體方案設計22.1本設計總體方案22.2正弦波信號生成方案2振蕩信號的生成方法32.2.2RC振蕩原理與振蕩條件3振蕩電路的穩幅方法52.3頻率步進方案6第3章電路設計和仿真分析83.1RC振蕩與穩幅電路設計8電路參數計算8電路仿真與分析103.2正弦波調幅電路設計11電路參數計算11電路仿真與分析123.3脈沖波生成電路設計13電路參數計算13電路仿真與分析143.4頻率計的設計18第4章設計總結20參考文獻21附錄Ⅰ仿真電路圖22附錄Ⅱ10MHZ頻率計23設計任務書任務在給定±15V電源電壓條件下，設計并制作一個正弦波和脈沖波信號源。要求1．根本要求

〔1〕正弦波信號源

①信號頻率：20Hz～20kHz步進調整，步長為5Hz

②頻率穩定度：優于10-4

③非線性失真系數≤3%

〔2〕脈沖波信號源

①信號頻率：20Hz～20kHz步進調整，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，步長為2%

〔3〕上述兩個信號源公共要求

①頻率可預置。

②在負載為600Ω時，輸出幅度為3V。

③完成5位頻率的數字顯示。2．發揮局部

〔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整，調整范圍為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。總體方案設計本設計總體方案由于對可編程器件等知識掌握有限，本設計采用采用分立元件實現方案一：如圖2.1所示。頻率產生頻率產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。頻率產生頻率產生單元正弦波方波圖2.2信號輸出方案二考慮電路結構和實現方便，擬采用方案二。系統總體框圖如圖2.3所示。所設計的信號發生器由振蕩電路、穩幅電路、正弦波調幅電路、電壓比擬電路、脈沖波調幅電路組成。頻率產生單元由振蕩電路和電壓放大電路構成，能夠產生頻率可調的正弦波信號，正弦波信號的幅度調整后經電壓比擬器和脈沖調幅電路輸出要求的脈沖波。振振蕩電路穩幅電路正弦波調幅電路電壓比擬電路脈沖調幅電路正弦波脈沖波圖2.3系統總體框圖正弦波信號生成方案信號發生器的工作頻率范圍、頻率穩定度、頻率設置精度、相位噪聲、信號頻譜純度是信號發生器性能的重要指標，都與頻率產生單元有關，在本設計中頻率產生單元首先生成正弦波信號，正弦波信號的頻率大小直接影響后面脈沖波信號的步進，因此正弦波正弦波信號的生成包括振蕩和穩幅兩個過程。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生。1.LC振蕩器這種振蕩器，由于LC體積大、頻率變化范圍小、品質因數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使用較多。2.差頻振蕩器由一穩定的基準頻率振蕩器與可調頻率振蕩器產生差頻信號，此差頻信號經過低頻濾波、放大后作為信號源輸出信號。這種振蕩器頻率覆蓋面寬，缺點是受高頻基準振蕩器頻率穩定度的影響很大，所以輸出頻率穩定性較差，在低頻端尤為顯著，使用時需要經常校正。3.RC振蕩器RC振蕩器用電阻代替了電感器，使結構簡單、緊湊，不僅降低了本錢，而且還具有較高的頻率穩定性，調節使用較方便，因而在低頻信號發生器中被廣泛地應用。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點是在同一頻段內比LC振蕩器的頻率范圍寬，其頻率變化比值〔以最高頻率與最低頻率之比表示〕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。頻率穩定性高，在所有工作頻率范圍內，振幅幾乎等于常數。低頻信號發生器中多采用這種電路。因此設計中采用RC振蕩器產生正弦振蕩信號。RC振蕩原理與振蕩條件正弦波產生電路一般應放大電路、反應網絡、選頻網絡、穩幅電路幾個根本組成局部。判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局部。1.RC橋式振蕩電路的構成RC橋式振蕩電路如圖2.4所示。RC串并聯網絡接在運算放大器的輸出端和同相輸入端構成了帶有選頻作用的正反應網絡，另外Rf、R1接在運算放大器的輸出端和反相輸入端之間，與集成運放一起構成負反應放大電路。由圖2.5可見，正反應電路與負反應電路構成一文氏電橋電路，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。可見,當ω=ω0=1/RC時，到達最大值且等于1/3,而相移φ=0，輸出電壓與輸入電壓同相，所以RC串并聯網絡具有選頻作用，此時輸出電壓頻率為〔2-1〕圖2.4RC橋式振蕩電路2.正弦振蕩條件判斷正弦振蕩的一般方法是：〔1〕是否滿足相位條件，即電路是否為正反應，只有滿足相位條件才有可能振蕩；〔2〕放大電路的結構是否合理，有無放大能力，靜態工作點是否適宜。〔3〕分析是否滿足幅度條件,檢驗，假設①，那么不可能振蕩；②，能振蕩，但輸出波形明顯失真；③，產生振蕩。振蕩穩定后，再加上穩幅措施，振蕩穩定，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〕，根據虛短、虛斷可求得負反應閉環電壓放大倍數為：〔2-2〕振幅條件：〔2-3〕相位起振：〔2-4〕振蕩電路的穩幅方法1〕熱敏電阻穩幅RC橋式振蕩電路的穩幅作用是靠熱敏電阻Rf實現的。Rf是負溫度系數熱敏電阻，當輸出電壓升高，Rf上所加的電壓升高，即溫度升高，Rf的阻值減小，負反應增強，輸出幅度下降，反之輸出幅度增加。假設熱敏電阻是負溫度系數，應放置在R1的位置。假設該電路Rf為一固定電阻,放大器Au為常數。起振時：那么要求振蕩平衡：那么要求，只有當運算放大器進入非線性工作區才能使增益下降到達平衡條件,從而產生嚴重失真現象。②假設該電路RF為一負溫度系數的熱敏電阻起振時：由于信號較弱，熱敏電阻RF處于冷態,阻值比擬大，放大器Au值較大滿足，很快振蕩建立。振蕩平衡：隨信號增強,熱敏電阻RF溫度升高,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時,到達平衡條件。2〕二極管穩幅圖2.5二極管穩幅電路及原理圖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，負反應并聯電路的等效電阻近似等于Rf，AF>1，電路產生振蕩．隨著集成運放輸出電壓的增大，當Rf上的分壓超過二極管的正向導通電壓時，流過Rf上的電流被分流，負反應支路的反應系數增大，迫使AF逐漸等于1，最終電路進入穩幅工作狀態。考慮到調試的方便，設計中采用二極管穩幅方法。頻率步進方案假設要實現輸出的信號頻率范圍為20Hz～20KHz，頻率步進為5Hz，可以使用鍵盤或開關輸入的方式，在這里為了調試方便，保證實驗的精確性并且實現頻率的細微調整，尤其是10KHz以上頻率的微調，將頻率按照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J1實現電容的接入。設RC振蕩電路串、并支路的電阻分別為和，電容分別為和。假設R1=R2=R，C1=C2=C，那么電路的振蕩頻率為〔3-1〕設頻率由步進到，步長為5Hz，那么電阻R的變化量為〔3-2〕在不同頻段〔C為不同值〕時電阻R的取值和變化見表2-1。表2-1頻率變化與電容、電阻的關系頻率范圍頻率〔Hz〕電阻R〔〕頻率增加5Hz時電阻的變化〔〕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時電阻的變化〔〕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時電阻的變化〔〕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，當頻率5Hz步進時，電阻R的變化不同，大到十幾K，小到幾，由于精度所限，大多數雙聯電位器的精度為5%，因此為實現頻率的微小步進，應將電阻分檔，實現頻率由粗調到微調的細化。調頻時，首先調節100K的雙聯電位器，再逐級調節10K、1K、100、20的電位器，這樣可實現頻率5Hz步進。電路設計和仿真分析本設計采用的設計方案為RC文氏橋振蕩穩幅振蕩正弦波調幅電壓比擬脈沖波調幅整形。RC振蕩與穩幅電路設計電路參數計算圖3.1為RC文氏橋振蕩與穩幅電路。設計上采用了多級電阻和多級雙聯電位器實現頻率的分段和步進。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振蕩電路電路仿真與分析下面以Multisim11.0為工作平臺，分析RC橋式正弦波振蕩電路。首先創立實驗電路。運行Multisim11.0軟件進入主窗口，將原理圖中的所有元件和儀器從元件庫中調出并設置好參數，編輯電路如圖3.1，圖中電路符號均采用北美標準〔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，穩幅電路的輸出信號Vb接在示波器的ChannelB和頻率計上。翻開示波器面板，將Timebase設置為200s/DIV，顯示方式設置為Y/T，ChannelA和ChannelB設置為5V/DIV。啟動仿真開關后，假設振蕩沒有建立，逐級調節雙聯電位器，直到波形無明顯失真并滿足頻率要求。圖3.2C=0.01F，R=55.56K時的正弦波穩幅輸出圖形和頻率計的輸出值，此時頻率為452Hz，頻率的穩定度很好。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時的穩幅圖形圖3.3C=0.01F時R=55.56K時的頻率計的輸出調節1K的電位器的值，可實現頻率步進，如圖3.4所示，可見可以實現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幅電路設計電路參數計算正弦波調幅電路如圖3.5所示。圖3.5正弦波調幅電路為實現300mv～3v的輸出要求，在穩幅電路后設計了分壓電路，分壓后的輸出電壓Vc為：(3-3)該分壓電路由開關J3控制其接入電路，當穩幅電路輸出的電壓較大時，按下開關J3，接入分壓電路，降低Vc后，再由后面的調幅電路調整輸出信號的幅度。在運放TL082的負反應支路中設置了幅度粗調電位器R14和細調電位器R13，可實現輸出電壓的精確調整。電路仿真與分析先調節幅度粗調電位器R14，再調節細調電位器R13，在R為600時，可精確實現輸出幅度為3V。圖3.6所示為R=600時經調幅后的仿真圖形圖3.6R=600時經調幅后的仿真圖形脈沖波生成電路設計電路參數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擬器，其輸出電壓為正弦波調幅電路的輸出電壓Vd與Ve比擬的結果，當Vd大于Ve時，運放輸出滿幅值+15V，當Vd小于Ve時，運放輸出-15V。電位器R24用于調整比擬電壓Ve的大小，以便改變輸出脈沖波的占空比。(3-4)第二個運放用來調節脈沖波的幅度，與正弦波幅度的調節方法相似。圖3.7脈沖波生成電路電路仿真與分析當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，與實驗要求的1有差距，假設在輸出信號后加上觸發電路整形，那么波形會更理想，由于時間問題，這里暫不做調整。圖3.8當R24=5K時，占空比為50%的仿真圖形改變R24的值，占空比發生變化，如圖3.9所示。圖3.9改變占空比仿真圖形當R=600時，經過調幅電路，通過調節R19和R25，可根本實現輸出幅度為3V的要求，如圖3.10所示圖3.10R=600時經調幅后的仿真圖形經比擬兩個頻率計的讀數，頻率穩定度為100%，如圖3.11和3.12所示圖3.11正弦波信號輸出頻率圖3.12方波信號輸出頻率頻率計的設計