低频信号发生器设计方案.docx

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低频信号发生器设计方案

低频信号发生器设计方案

1.设计要求

1.方案设计，根据设计任务选择合理的设计设计方案。

2.硬件设计。

选择硬件元件，说明其工作原理及设计过程，使用protel软件画出硬件电路

pcb板。

3.要求有目录，参考资料，结语。

4.设计也数不少于20页。

5.按照规范要求，及时提交课程设计报告，并完成课程设计答辩。

2.设计的作用，目的

1.学习掌握电子电路设计的方法和步骤。

2.掌握protel等常用设计软件的使用方法。

三•设计的具体实现

（一）系统概述

根据课题任务，所要设计的低频信号发生器由三大部分组成：

⑴正弦信号发生部分

⑵信号输出部分

⑶稳幅部分

其中由正弦信号发生部分的电路产生所需要的正弦信号，由输出电路将信号放大后进行输出,

再由稳幅电路部分从输出的信号采样反馈回信号发生部分进行稳幅。

1•正弦信号发生部分可以有以下实现方案:

⑴以晶体管为核心元件，加RC（文氏桥或移相式）或LC（变压器反馈式、电感三点式、

电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的分立元件正弦波振荡电路。

这种电路

的优点是简单、廉价，但由于采用分立元件，稳定性较差，元件较多时调节也较麻烦。

⑵以集成运放为核心元件，加RC（文氏桥或移相式）或LC（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的正弦波振荡电路。

这种电路的优点是

更为简单，性价比较好，但频率精度和稳定性较差。

⑶以集成函数信号发生器为核心元件，加适当的外围元件构成正弦波产生电路。

例如函数发

生器ICL8038芯片加电阻、电容元件，在一定电压控制下，可以产生一定频率的方波、三角波和正弦波。

这种电路的优点时调节方便，在所采用的外围元件稳定性好的情况下，可以

得到较宽频率范围的，且稳定性、失真度和现行度很好的正弦信号。

⑷利用锁相环（PLL）技术构成的高频率精度的频率合成器。

其框图如下图所示。

这种电路主要是利用锁相，即使现象未同步技术来获得频率高稳定度，且频率可步进变化的

振荡源。

现在已有集成锁相环电路芯片，例如CC4046，辅以参考频率源、分频器等外围电路后，即

可构成频率合成器。

⑸直接数字合成（DDS）正弦信号源。

下图为DDS的原理框图。

由图可知，这是一种数字系统。

其工作原理是将所需正弦信号的一个周期的离散样点的幅值数字量存于数字波形存储器（ROM或RAM）中，按一定的地址间隔（即相位增量）读出，再经D/A转换成模拟正弦信号，低通滤波器用来滤去D/A带来的小台阶以及其他杂波信号。

改变地址间隔的步长，可改变输出正弦信号的频率。

DDS的频率精度和稳定度由系统的时钟决定。

DDS可合成产生任意波形的信号，只要把所需波形预先计算好并存于数字波形存储器中，

DDS就可以合成出方波、三角波及各种调制波形和任意形状的波形。

目前有专用的DDS集成电路芯片，其时钟频率最高可达1GHz以上，产生的正弦信号频率

可达数百兆赫。

本课题对所产生的正弦信号的频率精度没有要求，再考虑模拟电路课程的基本内容和课程设

计的目的，选择⑴和⑵方案较为合适。

因为课题要求的低频信号振荡频率一般在几十千赫以

下，应选择RC选频网络的正弦振荡电路（LC选频网络适合于振荡频率在1MHz以上的高

频，RC选频网络适合于几百千赫以下的低频）。

2•稳幅方案

常用的稳幅方法是根据震荡幅度的变化来改变负反馈的强弱，若振幅增大，负反馈系数

组成部分

就自动变大，加强负反馈，限制振幅继续增长；反之，若振幅减小，负反馈系数就自动变小,减弱负反馈，防止振幅继续下降，从而达到稳幅的目的。

⑴利用二极管的非线性特性完成自动

利用二极管的非线性特性完成自动稳幅的电路，如图所示，为了保证上、下振幅对称，在图内的电路中，两支稳幅二极管Di和D2必须匹配，从提高温度稳

定性来看，宜选用硅管。

不难看出，在振荡过程中，Di和D2将交替导通和截止,并与R3电阻并联，因此利用二极管的非线性正相导通电阻rD的变化就能改变负

反馈的强弱。

当振幅增大时，5减小，负反馈加强，限制幅度继续增大；反之，当振幅减小时，rD增大，负反馈减弱，防止振荡继续下降，进而达到稳幅的目的。

这种电路简单经济，但它的温度系数较小，输出波形失真较大，适合于要求不高的场所。

⑵采用热敏电阻作负反馈电阻Rf进行稳幅

当输出电压Uo因外界条件增大时，流过Rf的电流增大，Rf温度升高，电阻变小，负反馈系数F=1+空变小，从而使输出幅度减小。

反之，当Uo因外界条

R

件减小时，流过Rf的电流减小，Rf温度降低，电阻变大，负反馈系数卩胡+辛变大，从而使输出幅度增大，从而达到稳幅的目的。

用二敏电阻进行稳幅的优点是电路简单，失真度低；缺点是热敏电阻本身

受环境温度影响，使输出幅度变化。

⑶用N沟道结型场效应管组成的压敏电阻Rds进行稳幅

原理图如图所示，运算放大器A接成负半波放大器，并与W、R4、G、T

等元件构成负反馈稳幅电路。

当输出幅度减小，导致Al的输入减小，输出负值的绝对值也减小，即场效应管栅极电位上升，引起其等效电阻下降，所以A2的

闭环增益升高，使输出幅度回升。

当输出幅度增大，导致A的输入增大，输出

负值的绝对值也增大，即场效应管栅极电位降低，引起其等效电阻上升，所以A2的闭环增益降低，使输出幅度回落。

从而达到稳幅的目的。

3.输出电路部分设计

输出部分有以下设计方案

⑴射极输出器。

这种电路的特点是电路简单，输出波形好，输入电阻高，输出电阻低，可对前级电路和负载起到隔离作用，同时带负载能力也强，虽然电压放大倍数近似为1，但电流放大倍数大，因

此有一定的功率输出能力。

这种电路的缺点是由于三机管工作在近似甲类状态，因此效率低（低于50%）。

在要求高功率、高效率的情况下，不能满足要求。

一般用于输出功率和效率要求低的场合。

⑵BJT管OCL或OTL功率放大电路。

这两种功率输出电路在选择合适的元器件和电源电压后可以设计出有较大功率输出，效率低于75%的技术指标来。

这两种电路的缺点是调整比较费事，BJT功率管及电路的对称性不容易做到，因此在要求高功率、高效率的情况下，波形很难达到理想效果。

⑶MOSFET管功放电路。

MOSFET功率管要求激励功率小，因此可直接由前置级驱动而无须再加推动级；输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，工作安全可靠，无须加保护措施，因此比BJT管功放

电路简单。

⑷集成功率放大器。

目前已有很多公司生产出各种性能指标的集成功率放大器。

只要根据课题技术指标要求选择合适的芯片，按照其手册给出的典型应用电路连接相应的外围电路即可。

因此，在条件允许的情况下，选择合适的集成功放芯片来组建电路，一般都能完成功率、效率等技术指标要求。

例如D2006就是一种内部有输出短路保护和过热自动闭锁的低频大功率集成电路。

（2）单元电路设计、仿真与分析

从电路构成看，电路由两个“桥臂”构成，R1、RF构成负反馈桥臂，并联RC网络和串联

RC网络再串联构成正反馈桥臂。

也就是说，文氏桥振荡器既有正反馈，又有负反馈。

我们知道，正反馈电路是不稳定系统，那么，整个电路到底表现为正反馈，还是负反馈呢？

这要取决于正反馈和负反馈哪个占“上风”！

负反馈增益为A仁1+RF/R1

正反馈增益A2（jf）=1/（3+j（f/f0-f0/f））

总增益A（jf）=A1*A2（jf）=（1+RF/R1）/（3+j（f/fO-f0/f））

上式中f0=1/2nRC,先定性分析：

频率无穷低时，即f趋于0时，f0/f趋于无穷大，总增益趋于零。

频率无穷高时，即f趋于R时，f/f0趋于无穷大，总增益趋于零。

直观判断，是一个带通网络，事实上，的确如此，并且增益的峰值出现在f=f0

此时A（jf）=（1+RF/R1）/3

即：

A（jf）是实数，也就是说，频率为f0的信号经过环路一周后，其相移为0

RF/R1的值不同时，电路出现下述三种情况:

a、A<1时，假如电路有一个扰动，扰动每经过环路一次，信号被衰减，负反馈占“上风”，电路是稳定系统，最终扰动趋于零。

b、A>1时，假如电路有一个扰动，扰动每经过环路一次，信号被放大，正反馈占“上风”，电路是不稳定系统，出现幅度不断增大的振荡。

c、A=1时，负反馈与正反馈“旗鼓相当”，电路为中性的稳定状态，出现扰动时，频率为f0的信号分量维持原有大小，无限的持续下去。

显然，上述电路还会有问题，首先，实际不可能做到A=1，其次，振荡器的输出幅值不可控。

为此，最好是开始时，振荡幅值足够大之前，A>1，振荡幅值达到预定的幅值之后，A=1，

显然，这样的电路，需要加入一些非线性环节。

下述电路就是这样的电路：

仿真软件搭建的电路与仿真分析过程

（1）选取？

?

=?

?

=R,?

?

=C2=C，从RC串并联选频网络的选频特性可知，？

?

=1/2?

RC=500Hz

所以可以选取R=1.6kQ,C=200nF。

2）令R1、C1并联的阻抗为Z1,R2、C2串联的阻抗为Z2,及wo=1/RC,则

联选频网络配一个电压放大倍数等于3的放大电路就可以构成正弦波振荡电路。

考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应该略大于3。

根据起振条件和幅值平衡条件既-

般Rf2略大于2Rfi

根据上述原理，可以用Multisim搭建出如图1的电路

仿真结果

（1）当没有二极管稳幅电路，如图1搭建的电路时，仿真波形会有一段较长时间处于起振，如图3,可以看出右端峰值比左端峰值高。

在电路中主要的功能有：

文氏桥式振荡器具有输出波形失真小、振幅稳定、频率调节方便和频率可调范围宽等特点，

故被普遍应用于低频信号发生器主振器中。

主振器产生与低频信号发生器频率一致的低频正

弦信号。

文氏桥式振荡器每个波段的频率覆盖系数（即最高频率与最低频率之比）为10，因此，要

覆盖1Hz〜1MHz的频率范围，至少需要五个波段。

为了在不分波段的情况下得到很宽的频

率覆盖范围，有时采用差频式低频振荡器，图2.8为其组成框图。

假设f2=3.4MHz,fl可调

范围为3.3997MHz〜5.1MHz,则振荡器输出差频信号频率范围为300Hz（3.4MHz-3.3997MHz）〜1.7MHz（5.1MHz-3.4MHz）。

差频式振荡器的缺点是对两个振荡器的频率稳定性要求很高，两个振荡器应远离整流管、功

率管等发热元件，彼此分开，并良好屏蔽

..负反馈稳幅电路的设计

负反馈稳幅电路中选用N沟道节型场效应管3DJ6F作为压控电阻，因为它工作在可变电阻区时Rds较小，约为1k。

它与尺串联后再与R2并联，然后与Rf共同构成负反馈网络。

课题中选用RF=7.2k

所以Rf>2[（Ri+Rds）//R2]这样保证了起振条件.

⑶集成运放的选择

选择集成运放时，主要考虑其输入电阻、输出电阻、增益带宽积、转换速率是否满足技术指标要求。

本课题中选择CF741位振荡器的放大器件，因为他的转换速率SR>0.5V/s,

满足下列要求：

SR》2fmaxUom

fh》3fmax

fh指增益带宽积，Uom为运放输出正弦电压的峰值。

CF741的fh为1.2MHz，满

足要求，一般振荡产生的电压峰值不大，都能满足要求。

2.输出电路的选择、设计及计算

⑴输出电路的选择、设计

通过比较可知，采用分立元件构成的具有恒流源的差动放