华科信号与系统课程设计 信号发生器的设计与实现.docx

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华科信号与系统课程设计信号发生器的设计与实现

电气与电子工程学院

《信号与系统》

课

程

设

计

设计题目信号发生器的设计与实现

指导老师黄劲

班级

姓名

学号

完成日期2014年8月20日

一．设计题目

信号发生器的设计与实现

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。

按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。

二．设计内容及要求

利用所学知识自己设计电路系统，构成信号发生器，要求能产生三种以上的信号。

（可以一种电路产生多种信号，也可以由不同电路产生不同信号）。

利用Matlab或PSPICE或PROTEL或其他软件仿真。

三．设计目的

1．进一步掌握函数信号发生器基本工作原理

2.学会运用Matlab或PSPICE或PROTEL进行绘图，仿真和分析，进一步验证和检验自己的电路设计

3.培养自己电路设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。

四．设计方案及原理

整体设计思路

首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。

正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。

在三角波-方波产生电路的基础上，再加入二极管和电阻串联支路，即可构

成一个幅值可以改变的锯齿波发生器。

1．正弦波产生电路及原理

文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，RC串并联网络具有

选频的作用，它与放大器结合起来即可构成RC振荡电路。

它适用于产生频率小

于1MHz的低频振荡信号，频率和振幅较稳定，频率调节方便。

如上图所示，图中R1、C1、R2、C2构成串并联选频网络，接于运算放大器

的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。

其余部分是带有

负反馈的同相放大电路，R3、R4、R5构成负反馈网络，确定电压增益使其满足

振荡的幅值条件。

二极管D1、D2则有利于正弦波的起振和稳定输出幅度。

RC串并联网络的频率特性可以表示为

令

则上式可简化为

，以上频率特性可分别用幅频特性和相频特性的表达式表示如下：

|

|

，

根据RC串并联网络的选频特性及上述平衡条件容易得到RC正弦波振荡电路的振荡频率为：

；

振荡的幅度平衡条件|

|

是表示振荡电路已达到稳幅振荡时的情况。

若要振荡电路能够自行起振，开始时必须满足

的幅度条件。

已知当

时，

，由此可求得振荡电路的起振条件为：

同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为：

所以当

时，幅频响应的幅值为最大F=1/3，相频响应的相位角为零。

且负反馈电压增益Av=（R3+R4+R5）/R4略大于3，由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中一定包括有ω=ω0=1/RC这样一个频率成分。

这种微弱的信号，经过放大器和正反馈网络形成闭环。

使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制使振荡幅度自动地稳定下来。

通过波形，可以清楚的看到起振到振幅稳定的过程。

2.方波-三角波产生电路

由电压比较器和积分器构成方波-三角波发生器实验电路，积分电路的输出电

压反馈至电压比较器的输入端，形成闭环，使电路产生自激振荡。

由于采用了积

分电路，使方波-三角波发生器的性能大为改善，不仅得到的三角波线性度比较

理想，且振荡频率和幅度也便于调节。

设计电路图

图2.方波-三角波产生电路

电路中，Vout1输出的波形即为方波。

产生方波的部分电路采用了电压比较器。

电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。

电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。

电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。

只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。

在分析比较器时，虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。

本电路采用的是同相输入的过零比较器。

当Vp大于零时，Vout1输出为

，当Vp小于零时，Vout1输出为

。

由此即可产生方波。

改变D1,D2可以改变方波输出幅值。

输出Vout1的波形可得到所需方波如下图所示

Vout2的输出波形为三角波。

在产生三角波的部分电路中采用了积分电路。

积分电路是一种常见的数学运

算，利用虚短和虚断的原理。

通过电阻R的电流即等于通过电容C的电流。

所以：

即Vout2是对Vout1的积分。

当Vout1的输出波形为方波时，Vout2的波形自然为三角波

且三角波的幅值：

Vout2=

因Vout2由0上升到Vout2所需时间为1/4T故Vout2=

=

改变R1，R2之比即可改变三角波幅值。

三角波和方波的振荡频率相同，其值为

f=

=

改变R或C的值，可改变三角波的频率。

Vout2所显示的波形即为所需的三角波

3.锯齿波产生电路

在三角波-方波产生电路的基础上，只需加入二极管和电阻串联支路，即可构

成一个幅值可以改变的锯齿波发生器。

设计电路图

图3.锯齿波产生电路图

设t=0时接通电源，有Vo1=-Vz则-Vz经R4向C1充电，使输出电压按线性规律增长。

当VOUT上升到门限电压

使Vp=Vn=0时，比较器输出Vo1由-Vz上跳到+Vz，同时门限电压下跳到VT–值。

以后Vo1=+Vz经R4和D3,R3两支路向C1反向充电，由于时间常数减小，VOUT迅速下降到负值。

当VOUT下降到下门限电压VT–使Vp=Vn=0时，比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。

如此周而复始，产生振荡。

由于电容C1的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形VOUT为锯齿波电压,Vo1为矩形波电压。

锯齿波的周期T=T1+T2=

所显示的波形为

4.在同一电路中实现方波-三角波-正弦波的同时产生

设计思路：

在前文中通过积分电路可以将方波转化为三角波，同时，由于三角波通过傅里叶变换可以展开成含有基波，3次谐波，5次谐波的正弦波，使用低通滤波器进行滤波即可以将三角波转化为正弦波。

如下图所示：

比起采用不同电路，此方法更为节省元件。

设计电路：

图中Vout1，Vout2，Vout3分别产生方波，三角波，正弦波。

此时所显示的波形为：

由图可知，在同一电路中实现了三种波的产生。

五．设计总结

通过本次课程设计，加深了对正弦波，方波，三角波，矩形波产生电路的

理解，并学会了在掌握原理的基础之上如何选用元件，设计参数来进行电路的设

计。

通过自学，学会了用pspice进行电路图的绘制，设置仿真类型和参数，调整

输出波形，测量输出波形的基本物理量。

此外，通过课设我学会了如何有效地利用图书馆、网络，一般研究报告的格

式。

以及使用word的一些小技巧。

总而言之，在课程设计过程中受益匪浅，不仅巩固了以前学习过的知识，还

学习到了新知识，而且学以致用，将所学知识转化成了实际应用。

六．参考书目

［1］Kamen,E.W,&Heck,B.S.（2002）.FundamentalsofsignalsandsystemsusingthewebandMATLAB,

ed.北京：

科学出版社

［2］陈大钦，罗杰.电子技术基础实验.［M］.北京：

高等教育出版社，2008.6.

［3］吴正光，郑颜.电子技术试验.仿真与实践［M］北京：

科学出版社

［4］穆秀春，华春梅，吕中志.PSpice电子仿真及应用［M］.北京：

科学出版社，2010.1