华科信号与系统课程设计 信号发生器的设计与实现.docx

1、华科 信号与系统课程设计 信号发生器的设计与实现电气与电子工程学院信号与系统课程设计设计题目 信号发生器的设计与实现指导老师 黄劲 班 级 姓 名 学 号 完成日期 2014 年 8 月 20 日一 设计题目信号发生器的设计与实现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应用。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。二设计内容及要求利用所学知识自己设计电路系统，构

2、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 设计目的1进一步掌握函数信号发生器基本工作原理2.学会运用Matlab或PSPICE或PROTEL进行绘图，仿真和分析，进一步验证和检验自己的电路设计3. 培养自己电路设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。四 设计方案及原理整体设计思路 首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后

3、将方波经过积分运算变换成三角波。在三角波-方波产生电路的基础上，再加入二极管和电阻串联支路，即可构成一个幅值可以改变的锯齿波发生器。1 正弦波产生电路及原理文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，RC串并联网络具有选频的作用，它与放大器结合起来即可构成RC振荡电路。它适用于产生频率小于1MHz的低频振荡信号，频率和振幅较稳定，频率调节方便。如上图所示，图中R1、C1、R2、C2构成串并联选频网络，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。其余部分是带有负反馈的同相放大电路，R3、R4、R5构成负反馈网络，确定电压增益使其满足振荡的幅值条件。二极管D1、D2

4、则有利于正弦波的起振和稳定输出幅度。RC串并联网络的频率特性可以表示为令则上式可简化为，以上频率特性可分别用幅频特性和相频特性的表达式表示如下：| | ， 根据RC串并联网络的选频特性及上述平衡条件容易得到RC正弦波振荡电路的振荡频率为：；振荡的幅度平衡条件| |是表示振荡电路已达到稳幅振荡时的情况。若要振荡电路能够自行起振，开始时必须满足的幅度条件。已知当时，由此可求得振荡电路的起振条件为：同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为： 所以当 时，幅频响应的幅值为最大F=1/3，相频响应的相位角为零。且负反馈电压增益Av=(R3+R4+R5)/R4略大于3，由于电路中存在噪声，它的频

5、谱分布很广，其中一定包括有=0=1/RC这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大器和正反馈网络形成闭环。使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制使振荡幅度自动地稳定下来。通过波形，可以清楚的看到起振到振幅稳定的过程。2.方波-三角波产生电路由电压比较器和积分器构成方波-三角波发生器实验电路，积分电路的输出电压反馈至电压比较器的输入端，形成闭环，使电路产生自激振荡。由于采用了积分电路，使方波-三角波发生器的性能大为改善，不仅得到的三角波线性度比较理想，且振荡频率和幅度也便于调节。设计电路图 图2.方波-三角波产生电路电路中，Vout1输出的波形即为方波。产生方波的部分电路采用了电压比较

6、器。电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。 电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时， 虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。 本电路采用的是同相输入的过零比较器。当Vp大于零时，Vout1输出为，当Vp小于零时，Vout1输出为。由此即可产生方波。改变

7、D1,D2可以改变方波输出幅值。输出Vout1的波形可得到所需方波如下图所示Vout2的输出波形为三角波。在产生三角波的部分电路中采用了积分电路。积分电路是一种常见的数学运算，利用虚短和虚断的原理。通过电阻R的电流即等于通过电容C的电流。所以：即Vout2是对Vout1的积分。当Vout1的输出波形为方波时，Vout2的波形自然 为三角波且三角波的幅值： Vout2=因Vout2由0上升到Vout2所需时间为1/4T故Vout2= =改变R1，R2之比即可改变三角波幅值。三角波和方波的振荡频率相同，其值为f=改变R或C的值，可改变三角波的频率。Vout2所显示的波形即为所需的三角波3.锯齿波产

8、生电路在三角波-方波产生电路的基础上，只需加入二极管和电阻串联支路，即可构成一个幅值可以改变的锯齿波发生器。 设计电路图 图3.锯齿波产生电路图设t=0时接通电源，有Vo1=-Vz则-Vz经R4向C1充电，使输出电压按线性规律增长。当VOUT上升到门限电压 使 Vp=Vn=0时，比较器输出Vo1由-Vz上跳到+Vz，同时门限电压下跳到VT值。以后 Vo1=+Vz经R4和D3,R3两支路向C1反向充电，由于时间常数减小，VOUT迅速下降到负值。当VOUT下降到下门限电压VT使Vp=Vn=0 时，比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。如此周而复始，产生振荡。由于电容C1的正向与反向充电时间常数不

9、相等，输出波形VOUT为锯齿波电压,Vo1为矩形波电压。锯齿波的周期T=T1+T2=所显示的波形为4.在同一电路中实现方波-三角波-正弦波的同时产生设计思路：在前文中通过积分电路可以将方波转化为三角波，同时，由于三角波通过傅里叶变换可以展开成含有基波，3次谐波，5次谐波的正弦波，使用低通滤波器进行滤波即可以将三角波转化为正弦波。如下图所示：比起采用不同电路，此方法更为节省元件。设计电路：图中Vout1，Vout2，Vout3分别产生方波，三角波，正弦波。此时所显示的波形为：由图可知，在同一电路中实现了三种波的产生。五设计总结通过本次课程设计，加深了对正弦波，方波，三角波，矩形波产生电路的理解，

10、并学会了在掌握原理的基础之上如何选用元件，设计参数来进行电路的设计。通过自学，学会了用pspice进行电路图的绘制，设置仿真类型和参数，调整输出波形，测量输出波形的基本物理量。此外，通过课设我学会了如何有效地利用图书馆、网络，一般研究报告的格式。以及使用word的一些小技巧。总而言之，在课程设计过程中受益匪浅，不仅巩固了以前学习过的知识，还学习到了新知识，而且学以致用，将所学知识转化成了实际应用。六参考书目1Kamen,E.W,&Heck,B.S.(2002).Fundamentals of signals and systems using the web and MATLAB, ed.北京：科学出版社2陈大钦，罗杰.电子技术基础实验.M.北京：高等教育出版社，2008.6.3吴正光，郑颜.电子技术试验.仿真与实践M北京：科学出版社4穆秀春，华春梅，吕中志.PSpice电子仿真及应用M.北京：科学出版社，2010.1