室内巡视机器人设计和仿真实现.docx
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室内巡视机器人设计和仿真实现
实用信号源的设计和制作
第1章设计任务书
任务
在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。
要求
1．基本要求
（1）正弦波信号源
①信号频率：
20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
②频率稳定度：
优于10-4
③非线性失真系数≤3%
（2）脉冲波信号源
①信号频率：
20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz
②上升时间和下降时间：
≤1μs
③平顶斜降：
≤5%
④脉冲占空比：
2%～98%步进可调，步长为2%
（3）上述两个信号源公共要求
①频率可预置。
②在负载为600Ω时，输出幅度为3V。
③完成5位频率的数字显示。
2．发挥部分
（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。
（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。
（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。
（4）降低正弦波非线性失真系数。
第2章总体方案设计
本设计总体方案
由于对可编程器件等知识掌握有限，本设计采用采用分立元件实现
方案一：
如图2.1所示。
方波
图2.1信号输出方案一
方案二：
如图2.2所示。
方波
图2.2信号输出方案二
考虑电路结构和实现方便，拟采用方案二。
系统总体框图如图2.3所示。
所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。
频率产生单元由振荡电路和电压放大电路构成，能够产生频率可调的正弦波信号，正弦波信号的幅度调整后经电压比较器和脉冲调幅电路输出要求的脉冲波。
脉冲波
图2.3系统总体框图
正弦波信号生成方案
信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率设置精度、相位噪声、信号频谱纯度是信号发生器性能的重要指标，都与频率产生单元有关，在本设计中频率产生单元首先生成正弦波信号，正弦波信号的频率大小直接影响后面脉冲波信号的步进，因此正弦波信号的产生方法十分重要。
正弦波信号的生成包括振荡和稳幅两个过程。
振荡信号的生成方法
振荡信号可以由三种形式的振荡器产生。
1.LC振荡器
这种振荡器，由于LC体积大、频率变化范围小、品质因数Q值较小，故一般不太适合用于低频信号振荡器，而在一般高频信号振荡器中使用较多。
2.差频振荡器
由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号，此差频信号经过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。
这种振荡器频率覆盖面宽，缺点是受高频基准振荡器频率稳定度的影响很大，所以输出频率稳定性较差，在低频端尤为显著，使用时需要经常校正。
3.RC振荡器
RC振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，不仅降低了成本，而且还具有较高的频率稳定性，调节使用较方便，因而在低频信号发生器中被广泛地应用。
典型的RC振荡器叫做文氏电桥振荡器。
文氏电桥振荡器的优点是在同一频段内比LC振荡器的频率范围宽，其频率变化比值（以最高频率与最低频率之比表示）可达10∶1，而LC振荡器只有3∶1左右。
振荡波形是正弦波，失真小。
频率稳定性高，在所有工作频率范围内，振幅几乎等于常数。
低频信号发生器中多采用这种电路。
因此设计中采用RC振荡器产生正弦振荡信号。
RC振荡原理与振荡条件
正弦波产生电路一般应放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路几个基本组成部分。
判断一个电路是否为正弦波振荡器，就看其组成是否含有上述四个部分。
1.RC桥式振荡电路的构成
RC桥式振荡电路如图2.4所示。
RC串并联网络接在运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外Rf、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路。
由图2.5可见，正反馈电路与负反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。
可见,当ω=ω0=1/RC时，
达到最大值且等于1/3,而相移φ=0，输出电压与输入电压同相，所以RC串并联网络具有选频作用，此时输出电压频率为
（2-1）
图2.4RC桥式振荡电路
2.正弦振荡条件
判断正弦振荡的一般方法是：
（1）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有可能振荡；
（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。
（3）分析是否满足幅度条件,检验，若
①，则不可能振荡；
②，能振荡，但输出波形明显失真；
③，产生振荡。
振荡稳定后，再加上稳幅措施，振荡稳定，而且输出波形失真小。
对于图2.5，输入信号由同相端输入（即振荡信号由此输入），根据虚短、虚断可求得负反馈闭环电压放大倍数为：
（2-2）
振幅条件：
（2-3）
相位起振：
（2-4）
振荡电路的稳幅方法
1）热敏电阻稳幅
RC桥式振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻Rf实现的。
Rf是负温度系数热敏电阻，当输出电压升高，Rf上所加的电压升高，即温度升高，Rf的阻值减小，负反馈增强，输出幅度下降，反之输出幅度增加。
若热敏电阻是负温度系数，应放置在R1的位置。
若该电路Rf为一固定电阻,放大器Au为常数。
起振时：
则要求
振荡平衡：
则要求
，只有当运算放大器进入非线性工作区才能使增益下降达到平衡条件,从而产生严重失真现象。
②若该电路RF为一负温度系数的热敏电阻
起振时：
由于信号较弱，热敏电阻RF处于冷态,阻值比较大，放大器Au值较大满足
，很快振荡建立。
振荡平衡：
随信号增强,热敏电阻RF温度升高,阻值减小，放大器Au值自动下降,在运算放大器还末进入非线性工作区时,达到平衡条件
。
2）二极管稳幅
图2.5二极管稳幅电路及原理
图2.5（a）中二极管VD1和VD2用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。
起振时，由于集成运放的输出电压很低，VD1和VD2接近于开路，负反馈并联电路的等效电阻近似等于Rf，AF>1，电路产生振荡．随着集成运放输出电压的增大，当Rf上的分压超过二极管的正向导通电压时，流过Rf上的电流被分流，负反馈支路的反馈系数增大，迫使AF逐渐等于1，最终电路进入稳幅工作状态。
考虑到调试的方便，设计中采用二极管稳幅方法。
频率步进方案
若要实现输出的信号频率范围为20Hz～20KHz，频率步进为5Hz，可以使用键盘或开关输入的方式，在这里为了调试方便，保证实验的精确性并且实现频率的细微调整，尤其是10KHz以上频率的微调，将频率按照10倍频程分为3段：
20～200～2000～20KHz，每个频段的RC振荡电容分别为0.1
F、0.01
F、0.001
F，由拨码开关J1实现电容的接入。
设RC振荡电路串、并支路的电阻分别为
和
，电容分别为
和
。
若R1=R2=R，C1=C2=C，则电路的振荡频率为
（3-1）
设频率由
步进到
，步长为5Hz，则电阻R的变化量为
（3-2）
在不同频段（C为不同值）时电阻R的取值和变化见表2-1。
表2-1频率变化与电容、电阻的关系
频率范围
频率（Hz）
电阻R（
）
频率增加5Hz时电阻的变化（
）
C=0.1
F
频率：
20～200Hz
20
80K
15.924K
50
31.85K
2.9K
100
15.924K
760
200
7.962K
204
频率范围
频率（Hz）
电阻R（
）
频率增加5Hz时电阻的变化（
）
C=0.01
F
频率：
200～2KHz
200
80K
1.942K
500
31.85K
315
1K
15.924K
80
2K
7.962K
20
频率范围
频率（Hz）
电阻R（
）
频率增加5Hz时电阻的变化（
）
C=0.001
F
频率：
2K～20KHz
2K
80K
198
5K
31.85K
32
10K
15.924K
8
20K
7.962K
2
通过上面的分析计算知在不同的频段，当频率5Hz步进时，电阻R的变化不同，大到十几K
，小到几
，由于精度所限，大多数双联电位器的精度为5%，因此为实现频率的微小步进，应将电阻分档，实现频率由粗调到微调的细化。
调频时，首先调节100K
的双联电位器，再逐级调节10K
、1K
、100
、20
的电位器，这样可实现频率5Hz步进。
第3章电路设计和仿真分析
本设计采用的设计方案为RC文氏桥振荡----稳幅振荡---正弦波调幅----电压比较---脉冲波调幅----整形。
RC振荡与稳幅电路设计
电路参数计算
图3.1为RC文氏桥振荡与稳幅电路。
设计上采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段和步进。
0
图3.1RC振荡电路
电路仿真与分析
下面以Multisim11.0为工作平台，分析RC桥式正弦波振荡电路。
首先创建实验电路。
运行Multisim11.0软件进入主窗口，将原理图中的所有元件和仪器从元件库中调出并设置好参数，编辑电路如图3.1，图中电路符号均采用北美标准（ANSI）。
加上示波器和频率计，图3.1中RC文氏桥输出的电压接在示波器的ChannelA，稳幅电路的输出信号Vb接在示波器的ChannelB和频率计上。
打开示波器面板，将Timebase设置为200
s/DIV，显示方式设置为Y/T，ChannelA和ChannelB设置为5V/DIV。
启动仿真开关后，若振荡没有建立，逐级调节双联电位器，直到波形无明显失真并满足频率要求。
图3.2C=0.01
F，R=55.56K
时的正弦波稳幅输出图形和频率计的输出值，此时频率为452Hz，频率的稳定度很好。
图3.2中振幅较大的是集成运放输出电压Vb的波形，振幅较小的是集成运放同相输入端电压Va的波形。
图3.2C=0.01
F时R=55.56K
时的稳幅图形
图3.3C=0.01
F时R=55.56K
时的频率计的输出
调节1K
的电位器的值，可实现频率步进，如图3.4所示，可见可以实现5Hz的步进。
图3.4C=0.01
F时R=R=55.56K
时的频率计的输出
正弦波调幅电路设计
电路参数计算
正弦波调幅电路如图3.5所示。
图3.5正弦波调幅电路
为实现300mv～3v的输出要求，在稳幅电路后设计了分压电路，分压后的输出电压Vc为：
（3-3）
该分压电路由开关J3控制其接入电路，当稳幅电路输出的电压较大时，按下开关J3，接入分压电路，降低Vc后，再由后面的调幅电路调整输出信号的幅度。
在运放TL082的负反馈支路中设置了幅度粗调电位器R14和细调电位器R13，可实现输出电压的精确调整。
电路仿真与分析
先调节幅度粗调电位器R14，再调节细调电位器R13，在R为600
时，可精确实现输出幅度为3V。
图3.6所示为R=600
时经调幅后的仿真图形
图3.6R=600
时经调幅后的仿真图形
脉冲波生成电路设计
电路参数计算
脉冲波生成电路图如图3.7所示。
其中第一个运放是电压比较器，其输出电压为正弦波调幅电路的输出电压Vd与Ve比较的结果，当Vd大于Ve时，运放输出满幅值+15V，当Vd小于Ve时，运放输出-15V。
电位器R24用于调整比较电压Ve的大小，以便改变输出脉冲波的占空比。
（3-4）
第二个运放用来调节脉冲波的幅度，与正弦波幅度的调节方法相似。
图3.7脉冲波生成电路
电路仿真与分析
当R24=5K
时，占空比为50%，仿真图形如图3.8所示，上升时间为3.766
，下降时间为3.766
，与实验要求的1
有差距，若在输出信号后加上触发电路整形，则波形会更理想，由于时间问题，这里暂不做调整。
图3.8当R24=5K
时，占空比为50%的仿真图形
改变R24的值，占空比发生变化，如图3.9所示。
图3.9改变占空比仿真图形
当R=600
时，经过调幅电路，通过调节R19和R25，可基本实现输出幅度为3V的要求，如图3.10所示
图3.10R=600
时经调幅后的仿真图形
经比较两个频率计的读数，频率稳定度为100%，如图3.11和3.12所示
图3.11正弦波信号输出频率
图3.12方波信号输出频率
频率计的设计
因为时间紧迫，对于频率的测量使用的是Multisim本身带的频率计，如图3.13是我根据相关教程仿真的10MHZ频率计，不只是软件自身的BUG还是电路本身的问题，对于频率的测量不能精确完成，有待进一步的完善。
第4章设计总结
本次设计从电路原理图设计、参数计算再到仿真，虽然没有经过实际电路的操作，但我从中受益匪浅，通过这个过程使我对学过的知识有了更深一步的理解，并且更加熟练地掌握了Multisim的用法，扩展了我的知识面，在这里，我要感谢老师给我这个机会，尽管不知结果如何，但这其中的过程已经让我很知足。
参考文献
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毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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年月日
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日期：
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致谢
时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。
本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。
本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。
经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。
这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。
没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。
首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。
郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。
从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。
再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。
最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。
致谢
四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。
从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。
感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。
学友情深，情同兄妹。
四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我要特别感谢我的导师刘望蜀老师、和研究生助教吴子仪老师。
是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。
老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。
他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。
在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。
附录Ⅰ仿真电路图
附录Ⅱ10MHZ频率计
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