信号与系统课程设计信号发生器.docx

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信号与系统课程设计信号发生器

信号和系统

课程设计报告

学院电气和电子工程学院

班级电气1004班

学号U201011871

姓名张丰伟

信号发生器的设计和实现

一.概述

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使用。

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.设计要求

自已设计电路系统，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.相关原理

1.RC正弦波振荡电路

常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。

文氏电桥是利用电阻和电容作为回授的一种电桥型振荡器，工作频率可达约几MHz左右。

将输出接至一电阻（R3）和电容（C1）串联之电抗（XS）串接一电阻（R4）和电容（C2）并联之电抗（XP），再将XP之电压回授至输入端，此方式称为韦恩桥式震荡器.。

Xs=R4-jXc1

XP=R3//JXc2=

回馈电路如下：

利用巴克豪生准则，震荡时虚部为零，增益为1。

故虚部之

；

回路增益

若

；

，则

增益必须为

始可满足振荡之要求。

振荡频率为：

。

2.ＬＣ振荡电路

三点式振荡电路是指三极管的三个极（对于交流信号）分别和LC谐振回路的三个端点直接相接的振荡电路。

这种电路的一般结构如图Z0804所示。

图中X表示组成谐振回路各元件的电抗。

    谐振回路是由电感和电容两种不同性质的电抗元件组感的，谐振时，其等效阻抗呈纯电阻性，因此总电抗必然为零，即X1 +X2 + X3=0，而且，共射放大电路的输出电压

（图中为UC）和输入电压

（图中为Ub）反相，即φA=π。

为了满足振荡的相位平衡条件，即φA+φF=2nπ，则要求φF=π，即反馈网络必须有180°的相移。

设回路电流为，由图可以得到

    显然，只有X1和X2同号时才能满足φF=π，也就是说，X1和X2只有电抗性质相同时（同为电感或同为电容），才满足相位平衡条件。

又因为X1 + X2 + X3 =0，所以X3和X1、X2性质必须相反，即若X1、X2为电感，则X3必须是电容。

    综上所述，构成三点式振荡电路的原则是X1和X2性质相同，而X3则和它们的性质相反。

可概括为"射同基（集）反"即和射极相连的两个电抗元件的性质相同，和基极（或集电极）相连的两个电抗元件的性质相反。

用这一原则，可以迅速判断出三点式振荡电路是否满足振荡的相位平衡条件。

3.555 定时器

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生和变换电路。

它也常作为定时器广泛使用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压Vcc/3和2Vcc/3

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源和地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2Vcc/3，C2的反相输入端的电压为Vcc/3。

若触发输入端TR的电压小于Vcc/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2Vcc/3，同时TR端的电压大于Vcc/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

4.电压比较器

电压比较器是对输入信号进行鉴别和比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。

常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。

5.积分电路

积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。

右图是一个典型的积分电路图。

由图可以看出，输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上，但此时认为电容的初始电量为零，故此时给电容充电。

由理想运算放大器的虚短虚断性质可推出，vn-vo=1/c∫idt,所以vo=-1/（RC）∫vdt.

如果把R1和C换个位置，就成了微分电路（但输入的电压应该是交流信号才可通过电容）。

四.电路设计

1.概述

电路低频部分，由ＲＣ文氏正弦产生电路产生749mHz－102kHz的正弦波，经比较器后转化成方波，方波经积分电路转化成三角波。

输出端经可调放大电路调节幅值及可调电源调节电平输出可变频率，幅值，电平的正弦，矩形波，三角波。

电路中频部分，555定时器组成多谐振荡器，输出中频正方波及三角波，LC电容三点式电路输出中频正弦波。

输出端经可调放大电路调节幅值及可调电源调节电平输出可变频率，幅值，电平的正弦，矩形波，三角波。

2.低频正弦波，矩形波，三角波电路

将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。

方案选择中，正弦波电路是最重要的部分，正弦波不仅是所需输出信号，而且是方波电路的输入信号。

此部分电路我们采用的是典型的RC乔氏正弦波振荡电路如下图，其中R3、R4、R5及二极管D1、D2构成负反馈网络和稳幅环节。

二极管D1、D2为自动振幅元件，其作用是：

当u0幅值很小时。

二极管D1、D2相当于开路，此时有D1、D2和R组成的并联支路等效电阻较大，设R3、和R5、D1、D2并联支路的总等效电阻为Rf，则Rf也较大，所以Auf=（1+Rf/R4）>3,有利于起振;反之当u0幅值较大时，D1、D2导通，并联支路的等效电阻下降，Rf也下降，所以Auf随之下降，如果此时Auf≈3，则u0幅值趋于稳定。

另外，采用两只二极管反向并联，目的是使输出电压在正负两个半周期内轮流工作，使正半周和负半周振幅相等，这两只管子特性应相同。

而RC串并联电路构成选频网络，同时兼作反馈环节，连接于集成运放的输出端和同向输入端之间构成正反馈，以产生正弦自激振荡。

根据振荡器的频率，计算RC乘积的值，有RC=1/（2*π*f0）

为了实现仿真，根据运算放大器的技术参数，并且结合经济性，运算放大器为LM324N。

已知给出f0=1Hz~100KHz，则RC=1.5915*10-5~1.5915*10-3，为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响，按Ri>>R>>R0的关系选择R的值，初选R=1kΩ，则C=10uF~0.75nF，我们采用五层波段开关，五支容值13333倍的电容，则C=10uF，1uF，100nF，10nF，0.75nF。

而R则取为20kΩ的可调电阻。

因此，鉴于设计要求频率1Hz——100KHz跨度较大，我们采用五层波段开关两组五支电容和五支同轴电位器来调节。

选用不同的电容作为振荡频率f0的粗调，用同轴电位器实现f0的微调。

每一值电容和电位器组合都可以调节一段范围，交叉，故实现频率为连续可调。

不同档位分别产生正弦波频率为0.749Hz～15.7Hz，7.49Hz～157Hz，74.9Hz～1.56kHz，747kHz～11.3kHz，6.57kHz～87.5kHz，8.09kHz～102kHz

方波产生电路，主要用由高速运放AD817AQ及可调电源组成的电压比较器。

在实用电路中为了满足负载需要，常在集成运算的输出端加稳压管限幅电路。

限幅电路的作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。

输出信号和输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。

积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波。

电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理。

取R10=1kΩ,C=100nF,1uF,10uF,100uF,1000uF,对应不同的频段的输入矩形波号，输出不同频段的三角波信号。

电路如图。

3.中频正弦波

采用LC电容三点式正弦振荡电路，产生中频正弦信号。

频率f=f0=

，分别取固定电容，电感值为91nF，9.1uH，15nF，10uH，6nF，5uH，1.2nF，5uH，150pF，5uH，通过调节可调电容，可分别产生频率96.0kHz～233kHz，229kHz～574kHz，489kHz~1.09MHz，930kHz~2.8MHz，2.44MHz~7.71MHz正弦波。

D1D2为稳压管，可维持输出电压较稳定。

电路如图。

4.中频矩形波，三角波

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。

在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。

两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。

多谐振荡器可用作方波发生器。

　　接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。

充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。

是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得

　　输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2

　　输出低电平时间T=R2Cln2

振荡周期T=（R1+2R2）Cln2。

输出方波的占空比为q%=

=

。

由于电路中二极管D1,D1的单项导电性，使电容器C的充放电回路分开，调节电位器，可调节多谐振荡器的占空比。

调节可变电容就可调节输出频率。

电容C两端电压近似为三角波。

此时输出波形占空比q%=

=

。

采用五档开关粗调，固定电容值分别为5nF，430pF，30pF，3.0pF，0.1pF，调节对应可调电位器，可得到波形频率分别为947Hz～10.3kHz，9.56kHz～106kHz，93.0kHz～1.05MHz，821kHz～11.8MHz，9.3MHz～101MHzHz。

五仿真结果

低频正弦波仿真波形及频谱

低频矩形波仿真波形及频谱

低频三角波仿真波形及频谱

低频正弦波，矩形波，三角波仿真波形

中频正弦波仿真波形及频谱

中频矩形波仿真波形及频谱

中频三角波仿真波形及频谱

中频矩形波，三角波仿真波形

六总结

由仿真波形可看出，RC振荡电路产生低频正弦波起振较快，波形较稳定，杂谐波较小。

经比较器得到的矩形波波形也较好。

但经积分电路得到的三角波由起始到收敛为三角波历时较长，波形也不太稳定。

LC电容三点式振荡电路产生的正弦波起振较慢，波形较差，输出波形振幅随频率变化较大，幅值和频率调节其中之一，另一个也发生变化。

由555定时器组成的多谐振荡器输出正方波波形稳定，振幅稳定，但通过电位器调节占空比较困难（非线性变化）。

电容两端近似为三角波，波形较差，且由起始到收敛为三角波历时较长，波形也不太稳定。

由于非线性，通过电位器或可调电容调节波形频率较困难。

七收获和体会及存在的问题

在这次设计、仿真过程中我对抽象的理论有了进一步的认识。

通过这次课程设计，我了解了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的仿真方法；以及如何提高电路的性能等等。

虽然这次实验使得我纠结了几天，但收获的确很多