模拟电子技术课程设计信号发生器.docx
《模拟电子技术课程设计信号发生器.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《模拟电子技术课程设计信号发生器.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
模拟电子技术课程设计信号发生器
课程设计报告
题目正弦信号发生器
课程名称模拟电子技术课程设计
院部名称机电工程学院
专业电气工程及其自动化
班级10电气
（1）班
学生姓名管志成
学号1004103027
课程设计地点C206
课程设计学时1周
指导教师朱一纶
金陵科技学院教务处制
摘要
在这个信息高速发展的时期，计算机技术和半导体工艺技术有着前所未有的发展空间。
尤其是集成芯片作为一个字系统应用，发展更是迅速。
然而在现代电子的各个领域，常常需要高精度且频率可调的信号发生器。
各种波形曲线均可用三角函数方程式以及其他函数表达式来表示。
这样的信号发生器要求要能输出较多的波形，比如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波，而这些信号发生器被称为函数信号发生器。
函数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。
信号发生器有叫信号源，它是为电子测量提供符合一定技术要求的电信号的仪器，不同的信号发生器可以产生不同波形、频率和幅值的信号。
然而，我们在这里设计一种由集成运放为核心以及电容、电阻等原件所组成的一种RC桥式振荡电路。
关键词：
信号发生器正弦波锯齿波三角波频率幅值
第一章设计任务
1.1设计目的······································5
1.2设计要求······································5
第二章RC桥式正弦波信号发生器
2.1RC桥式振荡器的简介···························6
2.2RC桥式正弦波振荡电路的组成···················6
2.3RC桥式正弦波振荡电路的频率限制···············7
2.4判断电路是否振荡的方法························7
2.5RC正弦波振荡电路的检验·······················7
第三章电路结构的确定以及元件的选择
3.1电路结构的确定（方案一、二）···················9
3.2电路元件的选择································10
第四章RC桥式正弦信号发生器的设计
4.1电路总体框架图································12
4.2Multisim仿真电路图（方案一、二）···············12
4.3元件参数表····································13
第五章Multisim仿真分析（主要针对方案一）
5.1电路的起振····································14
5.2输出波形的稳定其及参数的测量··················14
5.3Multisim仿真测量参数与理论值的误差············15
5.4方案二的简略分析······························16
第六章拓展要求
6.1矩形波信号的输出······························17
6.2三角波信号的输出······························17
6.3正弦波-矩形波-三角波总电路的设计及仿真·········18
第七章课程设计小结··································21
第八章参考文献······································22
第一章设计任务
1.1设计目的
设计一个正弦信号发生器。
主要参数：
RC桥式网络中的电阻R选用10k时，要求产生振荡频率分别为f1=1500Hz和f2=750Hz的正弦波，输出具有稳幅功能。
输出交流电压幅度在在一定的范围内可调。
拓展要求：
可以输出矩形波和三角波信号。
1.2设计要求
（1）依据已知的设计指标，确定设计电路；计算和确定电路中的元件参数；
（2）选择集成运算放大器；搭建电路，
（3）调试并测量电路参数，并列表记录数据，（画出）输出波形图，
（4）分析测量结果，与理论值比较，直到满足设计要求，
（5）设计小结。
第二章RC桥式正弦波信号发生器
2.1RC桥式振荡器的简介
RC桥式正弦波发生器又称为维恩桥振荡器，它是常用的低频RC振荡器之一。
电路通过在工作频率处不产生相移完成正反馈。
维恩桥振荡器有两条反馈通路：
正反馈通路（接到同相输入端）和负反馈通路（接到反相输入端）。
正反馈通路用来产生振荡，而负反馈通路用来控制电路的闭环电压增益Acl。
2.2RC桥式正弦波振荡电路的组成
（1）正反馈通路
正反馈网络包括两个RC电路。
R1C1形成低通滤波器，而R2C2形成高通滤波器。
当工作在中心频带，滤波器不引入相移。
设计电路使得R1=R2，C1=C2，因此两个滤波器具有相同的截止频率。
概念如图所示。
在正反馈电路中需要说明的是：
经常看到微调电位器被串联到R1、R2上。
这些微调允许反馈电路（工作频率）被调整。
（2）负反馈通路
同相比例放大器的闭环增益可以根据下式求出
Acl=Rf/Ri+1
当二极管截至时，Ri=R5，Rf=R3+R4。
调整R4的值，使电路的Acl值随之增大或减小。
反馈通路中的二极管防止电路输出超过规定值。
如果振荡器输出超过（VR4+VR5）的幅值0.7V，其中的一个二极管就会导通，使R3短路，将有效的减小闭环电压增益。
实际上，二极管在应用中起到截止的作用。
（3）稳幅网络
为了改善输出电压幅度的稳定问题，可以在放大电路的负反馈回路里采用非线性电阻原件来自动调整反馈的强弱以维持输出电压恒定。
2.3RC桥式正弦波振荡电路的频率限制
随着工作频率的增加，运算放大器的传输延迟在输入和输出终端之间产生相移。
结果，电路的振荡作用开始失去稳定性。
注意：
电路的工作特性大大取决于输入与输出之间的相位关系。
对于大多数维恩桥振荡电路，上限频率低于1MHz。
特性总结如图所示。
▲维恩桥振荡器的频率稳定性比移相振荡器高很多。
然而，由于原件的公差和加热影响，维恩桥振荡器仍旧存在频率漂移。
因此，将其经常应用于对工作频率要求不高的低频系统中。
2.4判断电路是否振荡
（1）是否满足相位条件，即电路是否存在正反馈，只有满足相位条件电路才可能产生振荡。
（2）放大电路的结构是否合理，静态工作点是否合适。
（3）是否满足幅度条件。
|AF|是否等于1，在电路起振的时候，此时的|AF|有可能略大于1。
2.5RC正弦波振荡电路的检验
（1）|AF|<1
|AF|<1时，则电路不可能振荡。
（2）|AF|>1
|AF|>1时，电路能够振荡，但是会出现明显的非线性失真，需要加强稳幅环节的作用。
（3）|AF|=1
|AF|=1时，则电路能够振荡。
振荡电路在起振的过程中，要求|AF|>1,，这样才能保证振荡信号的幅度不断加大。
而在起振过程完成后，必须使|AF|=1，电路才能维持振荡，产生幅度稳定、几乎不失真的波形。
第三章电路结构的确定以及元件的选择
3.1电路结构的确定
在设计要求中我们知道，这个正弦信号发生器要用RC桥式振荡电路要完成其需要的功能。
我们就随之确定了这个正弦信号发生器的主要结构为一个RC桥式振荡电路。
然而，设计要求我们产生f1=1500Hz以及f2=750Hz的正弦信号，所以我们在选择选频网络时采用两个不同大小的电容，用单刀双掷开关来控制，来实现可以输出两个频率的信号。
当然，与此同时，我们需要来稳定输出的正弦波信号的幅值，为此，我们为信号发生器加入稳幅网络。
方法是利用非线性元件来自动调节负反馈的强弱以维持输出电压恒定。
稳幅的方法有很多种。
比如热敏电阻稳幅，JFET稳幅，或者晶体二极管稳幅。
本设计将采用晶体二极管稳幅和JFET稳幅。
在稳幅效果上利用JFET的可变电阻区将具有更好的效果。
然而，在这里对二极管的原理和JFET的原理不再加以论述（详见《模拟电子技术（第五版）》康光华第三、五章）。
电路结构:
（1）选频网络——由电阻和电容串并联组成，并选择不同阻值的电容、单刀双掷开关来实现不同频率正弦波的输出。
（2）放大电路——由一集成运放和负反馈
根据调节负反馈的深度来稳定幅值。
（3）稳幅网络——由非线性元件组成，用来稳定输出波形的幅值。
3.2电路元件的选择
（1）选频网络元件的选择及参数的确定
因为设计要求输出f1=1500Hz和f2=750Hz的正弦波，但给定了电阻值为10K，则我们需要选择两个电容来满足要求。
反馈网络的反馈系数为
Fv（s）=Vf（s）/Vo（s）=Z2/（Z1+Z2）
=sCR/（1+3sCR+（sCR）²）
有数学知识可知：
当
ω=ω0=1/RC或f=f0=1/2πRC
时，幅频响应的幅值最大。
则，C=1/2πRf0
1）f1=1500Hz
C1=10.61nF由于实际中不存在这种容抗的电容
所以选择值最相近的电容元件为C1=11nF
2）f2=750Hz
C2=21.221nF由于实际中不存在这种容抗的电容
所以选择值最相近的电容元件为C2=22nF
（2）放大电路元件的选择及参数的确定
在这里，采用OP07H型号的集成运放作为放大电路的主元件。
负反馈由100K的电阻和额定值为100k的滑动变阻器组成，100K的滑动变阻器用做电位器来调节使其输出稳定的最大不失真波形。
（3）稳幅网络元件的选择
方案一：
稳幅网络由两个二极管并联所组成的，并且并联在负反馈的定值电阻的两边，用来稳定输出波形的幅度。
在这里选择1N4007型晶体二极管。
方案二：
利用JFET工作在可变电阻区来稳幅，本设计采用2N5545型N沟道结型场效应管。
第四章RC桥式正弦信号发生器的设计
4.1电路总体框架图
输出波形
总体框架图
4.2Multisim仿真电路图
方案一：
（晶体二极管稳幅）
RC桥式正弦波振荡电路1
方案二：
JFET稳幅
RC桥式正弦波振荡电路2
4.3元件参数表
序号
元件名称
型号
数量
备注
1
电容器
--
4
根据电路中的值确定器参数
2
电阻丝
--
3
--
3
滑动变阻器
--
1
阻值为100K
4
单刀双掷开关
--
2
--
5
集成运算放大器
OP07H
1
--
6
晶体二极管
1N4007
2
--
7
直流电源
--
2
+12V和-12V各一个
8
示波器
--
1
--
9
JFET-N
2N5545
1
--
第五章Multisim仿真分析（主要针对方案一）
5.1电路的起振
在仿真软件（Multisim）中连接好电路图，把两个单刀双掷开关都切到10.61nF档，点击开始仿真，并调节滑动变阻器Key=A，使其输出最大且不失真的波形。
（此时产生的波形频率为1500Hz）
则当变阻器调节到35%时可以在示波器上观察到电路起振的波形，如下图所示：
电路起振波形图
5.2输出波形的稳定其及参数的测量
在电路起振后，由于负反馈的作用，振荡渐渐稳定，输出了稳定的不失真波形。
输出波形如下图所示。
（1）分别将两组滑动变阻器的开关同时打到1和2，记录测量数据填入表1中。
周期T
频率f
R
C
f0=1/（2πRC）
误差f-f0
0.674ms
1484Hz
10K
10.61nF
1500Hz
16Hz
1.348ms
742Hz
10K
21.221nF
750Hz
8Hz
（2）测量放大器的闭环放大倍数，测量数据分别填入表二中。
频率
Uf
U0
A
F
AF
f=1500Hz
2.394V
7.195V
3.005
1/3
1.002
f=750Hz
2.398V
7.208V
3.006
1/3
1.002
5.3Multisim仿真测量参数与理论值的误差
误差分析：
f=1500Hz
测量值f01=1484Hz
误差百分数k1=16/1500=1.07%
闭环放大倍数=3.005
f=750Hz
测量值f02=742Hz
误差百分数k2=8/750=1.07%
闭环放大倍数=3.006
在误差允许的范围内，该放大器的性能达到设计的目标。
5.4方案二的简略分析
在对方案二用仿真测试的时候发现通过调节两个滑动变阻器的值可以使输出波形达到稳定状态。
其稳定状态的波形如下：
对它的输出波形频率进行计算可得：
（计算过程略）
当f0=1500Hz时，输出波形的频率为1479Hz
当f0=750Hz时，输出波形的频率为738Hz
显然，用JFET进行稳幅的效果也是十分的出色。
第六章拓展要求
6.1矩形波信号的输出
采用滞回电压比较器价格正弦波转换成方波。
原理：
在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。
因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。
而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。
其原理图如下：
滞回电压比较器原理图
6.2三角波信号的输出
原理：
采用积分电路将产生的方波转换成三角波。
将运算放大器接成积分器应用形式，输入一个方波信号，输出就可得到一个三角波，图中
是用来抑制运算放大器的低频增益，抑制温漂影响的。
因此，在低频下不在作为积分器工作。
下限频率F可由下式求出：
其电路原理图如下：
积分电路原理图
6.3正弦波-矩形波-三角波总电路的设计及仿真
仿真输出波形：
1）正弦波
2）矩形波
3）三角波
根据以上的波形测试与分析，转换电路输出的矩形波和三角波波形还是较好的。
在拓展要求中要求输出三角波和矩形波，所设计的电路基本符合要求。
第七章课程设计小结
通过这次课程设计，我学到了很多在课堂上学不到的东西，首先，能自己设计电路，真的是一件让人兴奋不已的事情，学了一学期的模电理论知识，在学期末亲手实践的电路让我感受颇深，让我对抽象的只是有了具体的了解，也加强了我对理论知识的理解，提高了我对模电的兴趣，提高了我的动手能力。
在此次对正弦信号发生器的设计中，并非一帆风顺，却是荆棘坎坷，对电路结构的设计，对电子元件的选择，以及电路的搭建与调试，再到后来调试不成功后的修改，每一次都是认真的去查阅资料，在multisim上面仿真，一次次去调试才完成的。
最后，当电路输出稳定的波形的时候，那时的心情又是无比的激动，是的，有什么能够比付出之后的回报更值得让人欣慰的呢？
在这次设计中，让我感受最深的还是做学问需要严谨的态度和坚持不懈的精神。
一次次的失败，一次次的挫折都不打败勇敢者的心，只有勇于去尝试了，并坚持不懈，最后才能成功。
做学问需要严谨，不得有丝毫的马虎，在电路设计仿真的过程中，电路不能够输出波形的原因居然是自己的线都没有连接好，让我深刻的感受到做学问需要严谨的态度，卟能马马虎虎。
在实验中遇到的挫折确实很多，然而克服了它们，你就是最后的胜者。
总之，在这次电路的设计中，我学到了很多课本上学不到的东西，它会在我以后的人生中有着重大的影响。
第八章参考文献
[1]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].第五版.北京：
高等教育出版社，2006.1
[2]何玉祥模拟电路及其应用清华大学出版社2008.9第一版
[3]赵淑范电子技术实验与课程设计清华大学出版社2006.8第一版
注：
正弦-矩形-三角波信号发生器是与学号1004202018合作完成。
最后感谢老师在此次课程设计中所给与我的帮助！
升级会员 