简易的信号发生器要点Word文档格式.docx

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频率为100~1KHz

幅度为2.5V

掌握文氏桥震荡电路

完成电路的制作，测试结果

设计步骤

查阅相关资料；

先给出总体方案并对工作原理进行大致的说明；

依次对各部分分别给出单元电路，并进行相应的原理、参数分析计算、功能以及与其他部分电路的关系等等说明；

列出标准的元件清单；

制作并调试电路，进行测试，得到想要的波形。

总体电路及总体电路原理相关说明；

列出设计中所涉及的所有参考文献资料。

设计说明书字数不得少于3000字。

参考文献

[1]李万臣主编.《模拟电子技术基础实验与课程设计》.哈尔滨:

哈尔滨工程大学出版2001.3

[2]沈明发等编.《低频电子线路实验》.广州:

暨南大学出版社，2001.10

[3]刘志军主编．《模拟电路实验教程》．北京：

清华大学出版社,2005.5

[4]康华光．电子技术基础（模拟部分）（第四版）．武汉：

高等教育出版社，2005.7

[5]舒庆莹．凌玲．模拟电子技术基础实验．武汉：

武汉理工大学出版社，2008.2

摘要

信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、方波、正弦波的电路。

信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

本设计通过对信号发生器的原理以及构成进行分析，设计了正弦波—方波—三角波简易信号发生器。

设计中首先确定了电路方案：

由直流稳压电源电路、文氏振荡器、迟滞比较器、积分器组成；

接着对各单元电路的的工作原理进行了分析，由直流稳压电源电路提供所需电压，文氏振荡器产生正弦波，迟滞比较器产生方波，积分器产生三角波，同时对电路中各元器件的参数进行了计算。

最后利用相关仪器进行测试，测试达到了设计要求。

关键词：

直流稳压电源；

文氏振荡器；

迟滞比较器；

积分器

第1章方案的设计

1.1方案的选择

信号发生器实现的方法通常有以下几种：

（1）可以由晶体管、运放等通用器件制作，更多的则是用专门的信号发生器

IC产生。

早期的信号发生器IC，如ICL8038、BA205等，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。

（2）用分立元件组成的简易信号发生器：

价格比芯片实惠，结构简单，容易实现。

由分析选择方案

（2）。

1.2电路框图及工作原理

1.2.1电路组成框图

简易信号发生器电路组成框图如图2.1所示。

正弦波振荡电路产生正弦波，比较器电路产生方波，积分电路产生三角波。

图1.1简易信号发生器电路组成框图

1.2.2电路工作原理

根据图2.1分析，由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节组成的正弦波振荡电路当达到起振条件，即AF>

1时产生正弦波，同时用稳幅二极管来维持输出电压幅度的稳定，正弦波振荡电路的输出端作为电压比较器的反相输入端，同相输入端接参考电压UREF，通过输入电压与上下门限电压的比较，使比较器发生反转，产生方波，比较器的输出端作为积分器的反相输入端，电容与积分器运算放大器的反向输入端与输出端相连接，输出与输出成积分关系，且输出电压uo与输入电压ui反相，输出三角波。

第2章单元电路设计

2.1直流电源电路

2.1.1电路工作原理

直流稳压电源方框图如图3.1所示。

图2.1直流稳压电源方框图

小功率的稳压电源由四部分组成：

（1）电源变压器：

是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。

（2）整流电路：

利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。

（3）滤波电路：

可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。

（4）稳压电路：

稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压、温度、负载的变化而变化。

整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图3.2所示。

在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；

u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。

正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。

在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半，即Ivd=1/2Io。

电路中的每只二极管承受的最大反向电压为

（U2是变压器副边电压有效值）。

在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电感器和负载电阻串联或电容器与负载电阻并联，以达到使输出波形基本平滑的目的。

选择电容滤波电路后，全波整流电路直流输出电压：

Uo1=1.2U2，直流输出电流：

（I2变压器副边电流的有效值。

），稳压电路可选集成三端稳压器电路。

2.1.2器件的选择

1.集成三端稳压器的选择

选择三端可调式集成稳压器,常见的主要有CW317、LM317、LM337。

317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连可调的负电压，可调范围为1.2V~37V，最大输出电流

为1.5A。

稳压内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠，性能优良、不易损坏、使用方便等优点。

其电压调整率和电流调整率均优于固定式集成稳压构成的可调电压稳压电源。

LM317系列和LM337系列的引脚功能相同。

LM317其特性参数：

输出电压可调范围：

1.2V～37V

输出负载电流：

1.5A

输入与输出工作压差ΔU=Ui-Uo：

3～40V

能满足设计要求,故选用LM317组成稳压电路。

2.选择电源变压器

（1）确定副边电压U2

根据性能指标要求：

Uomin=5VUomax=22V

又∵Ui-Uomax≥（Ui-Uo）minUi-Uoin≤（Ui-Uo）max

其中：

（Ui-Uoin）min=3V，（Ui-Uo）max=40V

∴25V≤Ui≤40V

此范围中可任选：

Ui=30V=Uo1

根据Uo1=（1.1～1.2）U2

可得变压器的副边电压：

（2）确定变压器副边电流I2

∵Io1=Io,又副边电流I2=（1.5～2）IO1取IO=IOmax=800mA

则I2=1.5*0.8A=1.2A

（3）选择变压器的功率

变压器的输出功率：

Po>

I2U2=14.4W

3．选择整流电路中的二极管

∵变压器的副边电压U2=26V

∴桥式整流电路中的二极管承受的最高反向电压为：

桥式整流电路中二极管承受的最高平均电流为：

选整流二极管IN4001，其参数为：

反向击穿电压UBR=50V>

30V

最大整流电流IF=1A>

0.4A

总体原理电路如图3.6所示。

图2.6直流稳压电路原理图

2.2正弦波振荡电路

2.2.1电路工作原理

1．正弦波产生电路

正弦波振荡电路能产生正弦波信号，它是在放大电路的基础上加上正反馈网络形成的。

为了获得单一频率的正弦波，正弦波振荡电路还必须包含选频网络。

为了得到稳定的等幅振荡信号，正弦波振荡电路还要有一个稳幅环节，因此，正弦波振荡电路由放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅环节组成。

按选频网络组件不同，可分为RC、LC、石英晶体正弦振荡电路。

RC振荡电路用来产生几Hz至1MHz的声频和超声频信号，LC振荡电路用来产生几十KHz至几百MHz的高频和超高频信号，石英晶体正弦振荡电路具有极高的频率稳定度。

本设计选用RC振荡电路。

2．RC桥式正弦振荡电路

RC桥式正弦振荡电路如图3.7所示。

其中R1、C1和R2、C2为串、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。

由RC串并联网络的选频特性可知，在w=w0=1/RC或f=f0=

时，RC选频网络的相角为0，而同相比例运算放大电路的相位差为0，从而满足振荡的相位条件。

R3、RW及R4组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。

图2.7RC桥式振荡电路

为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。

图中的两个二极管D1，D2便是稳幅元件。

当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、RW及R4决定；

当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。

输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。

为了维持电路输出，必须使

为了使电路能够振荡，必须使

当：

R1=R2=R，C1=C2=C时

电路的振荡频率：

起振的幅值条件:

2.2.2参数计算

1．改变选频网络的参数C或R，即可调节振荡频率。

一般采用改变电容C作频率量程切换（粗调），而调节R作量程内的频率细调。

本设计要求输出地正弦波的频率为10HZ～1KHZ,因此由式f=

取值应满足以下关系：

当f0=10HZ时，RC

0.015；

当f0=1KHZ时，RC

0.00015

C的变化范围约为40pF～0.04uF。

2．确定R、C值

为使选频网络的选频特性尽量不受运放输入、输出电阻的影响，应按下列关系选R的值，即

Ri为运放同相输入电阻（约几百千欧以上），R0为其输出电阻（约几百欧下）因此，可选R=15KΩ,则C的范围为10pF～0.01uF。

取C=0.01μF。

注意选用稳定性较好、精度较高的电阻和介质损耗小的电容。

所以R1=R2=R=15KΩ,,C1=C2=C；

3．确定R3,Rf值

电阻R3可根据1+Rf/R3=1来确定，通常取Rf=2.1R3，这样既能保证起振，又不引起严重的波形失真。

另一方面，为了减小运算放大器输入失真电流及其漂移的影响，应尽量满足R=R3//Rf，于是可导出

R=R3//2R3=15k所以

R3=10k（取标称值）

Rf=2.1R3=20k（取标称值）

2.3电压比较器

2.3.1电压比较器原理

电压比较器是一种常见的信号幅度处理电路，在越限报警、波形整形、信号产生、模数转换等各方面均有广泛应用。

常用的方波产生电路有过零比较器、窗口比较器、迟滞比较器。

由于迟滞比较器具有既可以将干扰信号滤除而又使电路正常工作的优点，所以本次设计选用该种电压比较器。

迟滞比较器的电路如图3.8所示。

其输入信号ui加在运算放大器的反相输入端,同相输入端接入参考电压UREF，在输出端与同相输入端接入正反馈电阻R6,在输出回路还接有起限幅作用的双向稳压二极管D3。

使输出电压钳制在-Uz~+Uz。

图3.8迟滞比较器

在电路中，引入电压的增加，当ui很低时，运放A2输出电压的增加，当ui达到上门限电压UTH+时：

比较器发生器翻转，输出低电平。

此时输出电压：

当输出电压由高逐渐降低时，要一直降到下门限电压：

比较器才有发生翻转，比较器的输出转变为高电平。

则门限宽度为：

当输出信号在两个门限电压之间时，比较器的输出不发生变化。

若干扰信号就在这两个门限电压之间，则电路的输出没有变化，相当于把干扰信号给滤除掉了。

迟滞比较器的特性还常用电压传输特性来表示，（UTH+-UTH-）称为回差电压，回差电压的值可以按照电路工作地点的干扰情况通过实验加以确定，以有效地滤除干扰。

在生产实践中，经常需要对温度、水位进行控制，这都可以用迟滞比较器来实现在一定的温度范围内或水位范围内的控制。

同时迟滞比较器还经常用于信号整形，如将一波形较差的矩形波整形成较理想的矩形波。

2.3.2参数计算

1．确定Dw

根据设计要求：

UP-P=11V，UP-P=±

（UZ+UD），选择UZ=5V，即选择UZ的稳压值为5V稳压二极管。

选择IN4733，其稳压值为5.1V，IZ=49mA。

2．R7为稳压二极管限流电阻

设ΔUTH=1V，则R7=7K。

根据

有2R5/（R5+R6）=1/UZ+UD,取R6=10KΩ，R5=91KΩ，R10=9.1KΩ。

2.4积分电路

2.4.1电路工作原理

求对某个信号进行一般的波形变换，可选用基本积分电路。

基本积分电路如图3.9所示。

图3.9积分电路

输出电压

上式表明，uo与ui成积分关系，负号表示输出电压uo与输入电压ui反相，R8C3称为积分时间常数。

当ui为阶跃电压时，输出电压最后达到负饱和值。

当ui一定时，uo随着电容元件的充电按指数规律增长，其线性度较差。

采用集成运算放大器组成积分电路，由于充电电流量是恒定的if≈i1≈Ui/R1的故uo是时间t的一次函数，从而提高了它的线性度。

2.4.2参数计算

1．确定时间常数τ=R8C3

τ的大小决定了积分速度的快慢。

由于运算放大器的最大输出电压Uomax为有限值（通常Uomax=±

10V左右），因此，若τ的值太小，则还未达到预定的积分时间t之前，运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。

因此，当输入信号为正弦波时，τ的值不仅受运算放大器最大输出电压的限制，而且与输入信号的频率有关，对于一定幅度的正弦信号，频率越低τ的值应该越大。

阻Ri=R8，因此往往希望R8的值大一些。

在R8的值满足输入电阻要求的条件下，一般选择较大的C3值，而且C3的值不能大于1μF。

2．选择电路元件

（1）当时间常数τ=R8C3确定后，就可以选择R8和C3的值，由于反相积分电路的输入电般选择较大的C3值，而且C3的值不能大于1μF。

τ=0.5ms取R8=10K，则C3=0.05μF，这里取C3=0.051μF。

（2）确定R9

R9为静态平衡电阻，用来补偿偏置电流所产生的失调，一般取R9=R8。

如R8=Ri=10KΩ，R8也就是输入电阻。

3．选择运算放大器

为了减小运放参数对积分电路输出电压的影响，应选择：

输入失调参数（UIO、IIO、IB）小，开环增益（Auo）和增益带宽积大，输入电阻高的集成运算放大器μA741。

第3章整体电路仿真

3.1仿真平台

通过对设计的电路进行实物模拟和调试，一方面是可以验证所设计的电路是否能达到设计要求的技术指标，另一方面，通过改变电路中元器件的参数，使整个电路性能达到最佳值。

本设计选用Multisim仿真软件进行电路的仿真测试。

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

具有兼容性好、图形界面直观、元器件和测试仪器丰富、仿真能力强等特点。

3.2仿真结果

通过Multisim仿真软件对电路进行仿真，结果如下：

1.正弦波仿真波形

正弦波仿真波形如图4.1所示。

实测Vp-p≈22.2V，与设计要求值Vp-p=22V有一

定误差，但能满足要求。

图3.1正弦波仿真波形

2．方波仿真波形

方波仿真波形如图4.2所示。

实测Vp-p≈10.9V与设计要求值VP-P=11V有一定

误差，但能满足要求。

图3.2方波仿真波形

3.三角波仿真波形

三角波仿真波形如图4.3所示。

实测Vp-p≈5.06V与设计要求值VP-P=5V有一定

图3.3三角波仿真波形

附图：

总电路图