模擬電子課程設(shè)計(jì)

1、題目：信號(hào)發(fā)生器摘要信號(hào)發(fā)生器又稱(chēng)為波形發(fā)生器，是一種能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電子儀器，是工業(yè)生產(chǎn)和電工電子實(shí)驗(yàn)室中經(jīng)常使用的電子儀器之一。信號(hào)發(fā)生器可以有多種實(shí)現(xiàn)方法，而頻率越高產(chǎn)生波形越多的信號(hào)發(fā)生器越好，可以從信號(hào)發(fā)生器的制作條件及使用領(lǐng)域方面考慮其實(shí)現(xiàn)方法數(shù)字系統(tǒng)中需要的特殊信號(hào)，如方波、三角波等，例如在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻（高頻）發(fā)射，這里的射頻波就是載波，把音頻（低頻）、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，就需要能夠產(chǎn)生高頻的振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè) 、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域內(nèi) ，如高頻感應(yīng)加熱、 熔煉、淬火、超聲診斷、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、頻率或 高或低的振蕩器。波形發(fā)生器廣泛地應(yīng)

2、用于各大院校和科研場(chǎng)所。隨著科技的進(jìn)步，社會(huì)的發(fā)展，單一的波形發(fā)生器已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需求，而我們?cè)O(shè)計(jì)的正是多種波形發(fā)生器。關(guān)鍵詞：正弦波；方波；三角波；低頻信號(hào)源 引言：信號(hào)發(fā)生器是科研、教學(xué)、制造業(yè)中一種最常用的通用儀器，輸出波形一般固定為正弦波、三角波、鋸齒波和方波，不能實(shí)現(xiàn)有時(shí)在實(shí)驗(yàn)或工程應(yīng)用中需要的特殊信號(hào)給用戶(hù)使用帶來(lái)不便。雖然目前市場(chǎng)上的高性能的任意信號(hào)發(fā)生器已經(jīng)出現(xiàn)，但是價(jià)格昂貴，對(duì)于一般機(jī)電控制的用戶(hù)而言頻帶不需要很寬。所以一種既能滿(mǎn)足一定頻率和波形性能要求又價(jià)格低廉的超低頻任意信號(hào)發(fā)生器就成為了一種需求。本課題提出一種既能滿(mǎn)足使用要求又價(jià)格低廉的原理樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)原理樣

3、機(jī)的性能提出了改進(jìn)方案。1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求（1）具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形的功能；（2）正弦波幅值±10V，方波幅值±10V；（3）三角波峰-峰值20V，各種輸出波形幅值在一定范圍內(nèi)可調(diào)；（4）輸出波形工作頻率范圍為100HZ10KHZ，且連續(xù)可調(diào)。2方案設(shè)計(jì)與論證方案一采用傳統(tǒng)的直接頻率合成器。這種方法能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過(guò)多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。 方案二采用鎖相環(huán)式頻率合成器。利用鎖相環(huán)，將壓控振

4、蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需要頻率上。這種頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需要頻率信號(hào)，抑制雜散分量，并且避免了量的濾波器，有利于集成化和小型化。但由于鎖相環(huán)本身是一個(gè)惰性環(huán)節(jié)，鎖定時(shí)間較長(zhǎng)，故頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)，如幅度、頻率 相信都很難控制。方案三：經(jīng)過(guò)思考和討論，信號(hào)發(fā)生器主要應(yīng)用運(yùn)算放大器組成的滯回比較器積分器和帶通濾波器來(lái)產(chǎn)生各種信號(hào)。這種方法調(diào)試方便，功能完備，可輸出正弦波、方波、三角波，輸出波形穩(wěn)定清晰，信號(hào)質(zhì)量好，精度高。系統(tǒng)輸出頻率范圍較寬且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。 文氏電橋正弦波 發(fā)生器電壓比較器產(chǎn)生方波積分電路產(chǎn)生三角波幅度控制頻

5、率控制圖1. 正弦波、方波、三角波信號(hào)發(fā)生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法，電路框圖如上。利用文氏電橋反饋型振蕩電路產(chǎn)生正弦波，并通過(guò)調(diào)節(jié)選頻網(wǎng)絡(luò)中的RC值來(lái)達(dá)到頻率的控制，接著在發(fā)生器后串上一放大電路從而達(dá)到幅值的控制；方波的產(chǎn)生利用電壓比較器產(chǎn)生，占空比利用改變參考電壓來(lái)控制，而幅值的控制則在輸出端串接一個(gè)滑動(dòng)變阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，十分方便；三角波則利用積分電路來(lái)產(chǎn)生，串接放大電路從而達(dá)到幅值的控制。3單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算3.1單元電路設(shè)計(jì)(1)正弦波發(fā)生電路的工作原理圖2. 正弦波發(fā)生器原理圖圖3. 正弦波發(fā)生器工作波形正弦波發(fā)

6、生器電路如圖2所示，它由放大電路即運(yùn)算放大器與反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成。運(yùn)算放大器施加負(fù)反饋就為放大電路的工作方式，施加正反饋就為振蕩電路的工作方式。圖中電路既應(yīng)用了經(jīng)由R3和R4的負(fù)反饋，也應(yīng)用了經(jīng)由串并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)的正反饋。電路特性取決于是正反饋還是負(fù)反饋占優(yōu)勢(shì)。（2）正弦波方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖4. 方波發(fā)生器原理圖圖5. 方波發(fā)生器工作波形正弦波轉(zhuǎn)換為方波，采用了電壓比較器，通過(guò)與反相端輸入的參考電壓比較輸出方波波形，調(diào)節(jié)參考電壓可以改變方波占空比；方波幅值要達(dá)到±10V可調(diào)則在比較器輸出端串接滑動(dòng)變阻器來(lái)調(diào)節(jié)方波幅值。（3）方波三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理圖6. 方波產(chǎn)

7、生三角波原理圖圖7. 三角波發(fā)生器工作波形方波轉(zhuǎn)換成三角波，采用積分電路，并通過(guò)正向放大器使其幅值可調(diào)。3.2參數(shù)計(jì)算 和頻率有關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)根據(jù)穩(wěn)定振蕩條件： ,在選頻網(wǎng)絡(luò)中，選擇,根據(jù)頻率的變化范圍計(jì)算可變電阻值如下;同理所以選擇滑動(dòng)變阻器的范圍在之間變化,與電容并聯(lián)，而且保持兩個(gè)滑動(dòng)變阻器同時(shí)變化。 負(fù)反饋回路參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)振蕩條件:在這由于實(shí)際運(yùn)算放大器的特性并不理想，開(kāi)環(huán)增益有限，故要適當(dāng)消弱負(fù)反饋，才能真正滿(mǎn)足振蕩的幅值條件便于起振。因此，實(shí)際選用的的阻值應(yīng)比理論值計(jì)算值略為大些，或者是的理論計(jì)算值略為小些，這里取， 。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)電阻選擇 穩(wěn)幅電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算為了采取穩(wěn)幅措施，加入二

8、極管進(jìn)行穩(wěn)幅。這是一個(gè)自動(dòng)振幅控制電路，當(dāng)信號(hào)較小時(shí)，二極管截止，因此100電阻不起作用，從而,也就是此時(shí)振蕩在積累，當(dāng)振蕩不斷地增長(zhǎng)，這兩個(gè)二極管以交替半周導(dǎo)通的方式逐漸進(jìn)入導(dǎo)通的狀態(tài)，在二極管充分導(dǎo)通的限制下，的值會(huì)變?yōu)椴⒙?lián)以后的電阻，使得比值減小，然而，在此極限到達(dá)之前，振幅會(huì)自動(dòng)的穩(wěn)定在二極管導(dǎo)通的某個(gè)中間電平上，這里正好滿(mǎn)足4總原理圖及元器件清單4.1總電路圖圖8. 函數(shù)發(fā)生器總電路圖4.2元件清單元件型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注集成運(yùn)算放大器LM324AJ1二極管BREAK2示波器XSC31電容C1=1nF;C2=1nF;C3=100nF3電阻R3,R4,R5,R6,R7,5電位器R1,R

9、2,R8,R9,R10,R11,R1275 安裝與調(diào)試5.1安裝階段: 按電路圖8進(jìn)行安裝，安裝時(shí)主要考慮一方面使電路 易讀即布局有序，便于以后查錯(cuò)。另一方面對(duì)影響電路參數(shù) 或性能的主要元件要考慮在調(diào)試階段方便。 5.2調(diào)試： 電路安裝好后，檢查元件和引線(xiàn)連接無(wú)誤，即可通電調(diào)試，調(diào)試可分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩步進(jìn)行。（1）粗調(diào)為便于檢查，粗調(diào)時(shí)可將C3斷開(kāi)，分別檢查振蕩電路和射隨器電器部分。振蕩電路如果設(shè)計(jì)和安裝無(wú)誤，接通電源即應(yīng)起振。輸出端可得到正弦信號(hào)。若無(wú)振蕩波形，一般是無(wú)正反饋或閉環(huán)放大倍數(shù)太小。首先檢查正反饋支路是否接通，元件是否連接正確。然后則可加大R1，提高閉環(huán)增益。若仍不起振，則要檢查運(yùn)

10、算放大器性能是否正常。如果增大R1后起振了，說(shuō)明負(fù)反饋太大，可適當(dāng)加大R1使振蕩波形穩(wěn)定。正常情況下，改變R1能控制輸出幅度。調(diào)節(jié)雙連電位器能改變頻率，且波形無(wú)明顯失真。 注意:粗調(diào)時(shí)雙連電位器應(yīng)處在中央位置。（2）細(xì)調(diào) 粗調(diào)完畢，振蕩器輸出基本處于正常狀態(tài)，而有正弦波輸出，但其頻率范圍、幅度等不一定符合要求，還需進(jìn)一步調(diào)試。 振蕩器的頻率主要由RC值決定，當(dāng)C確定后，改變R阻值 由小到大應(yīng)滿(mǎn)足100Hz10KHz的頻率范圍。若低頻端達(dá)不到要求，說(shuō)明R4+R5對(duì)文氏振蕩電路的分流太大， 應(yīng)適當(dāng)加大 R4+R5的阻值。若高頻端達(dá)不到要求，則可適當(dāng)減小串聯(lián)電阻510歐的阻值，這個(gè)過(guò)程往往需要反復(fù)進(jìn)

11、行要有耐心。一個(gè)性能良好的振蕩器一定要有好的幅頻特性。即它在調(diào)節(jié)振蕩頻率時(shí)，輸出電壓的幅度保持不變。6 性能測(cè)試與分析（1）放波輸出電壓 Upp=2Vcc 是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有 PNP 型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，輸出方波時(shí)，兩管輪流截止與飲和導(dǎo)通，由于導(dǎo)通時(shí)輸出電阻的影響，使方波輸出度小于電源電壓值。 （2）方波的上升時(shí)間 T，主要受預(yù)算放大器的限制。如果輸出頻率的限制?？山蛹铀匐娙?C1，一般取C1為幾十皮法。7 結(jié)論與心得: 經(jīng)過(guò)本次課程設(shè)計(jì)，對(duì)我在獨(dú)立思考問(wèn)題以及對(duì)問(wèn)題的求證方面的能力都有所提高。模電這門(mén)課程是一門(mén)需要徹底鉆進(jìn)去才能學(xué)有所成的課程，要想把它學(xué)好，真的需要我們拿出自己那

12、份極其認(rèn)真的態(tài)度和極其刻苦鉆研的精神。本次課程設(shè)計(jì)讓我在電子文檔的使用方面有了更大的提高，讓我對(duì)波形發(fā)生器的硬件部分和軟件部分有了更深層次的了解，通過(guò)對(duì)課本等一系列的學(xué)習(xí)以及與參考書(shū)的對(duì)照，讓我明白了不少以前心中有疑惑的地方，這一點(diǎn)很值得慶幸的。特別是本設(shè)計(jì)中的軟件設(shè)計(jì)部分，讓我思路更分清晰的認(rèn)識(shí)及掌握波形發(fā)生器比較抽象的部分，從而讓我對(duì)波形發(fā)生器有一個(gè)更徹底更清晰的學(xué)習(xí)。這次設(shè)計(jì)我用極其認(rèn)真的態(tài)度去對(duì)待，讓自己利用這次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)好好的提高，能夠有更多的領(lǐng)悟，不枉費(fèi)老師的諄諄教導(dǎo)，也是對(duì)自己負(fù)責(zé)人的一種表現(xiàn)。在此，我還要感謝我的指導(dǎo)老師，是他的細(xì)心和耐心講解讓我少走彎路，又是在他認(rèn)真負(fù)責(zé)的指點(diǎn)

13、迷津，讓我反復(fù)的斟酌，仔細(xì)的推敲，才圓滿(mǎn)的完成了本次課程設(shè)計(jì)。真心的感謝老師！8 參考文獻(xiàn)1 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.434-464.2 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分）M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.414-424.3 羅先覺(jué)，電路第5版，高等教育出版社，2006. 4 劉潤(rùn)華，任旭虎編電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì).5 李翠華.信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì).科技廣場(chǎng)2009.1.Title: signal generatordesigners: Shi Xiaomengmentors: Cui Jin flowersabstractsignal

14、generator also known as waveform generator, is a standard signal of electronic devices, are frequently used in industrial production and electrical and electronic Labs one of the electronic instrument. Signal generator can has multiple achieved method, and frequency more high produced waveform more

15、more of signal generator more good, can from signal generator of produced conditions and the using area aspects consider its achieved method digital system in the needs of special signal, as square wave, and triangle wave, such as in communications, and broadcast, and TV system in the, are needs RF

16、(high frequency) launches, here of RF wave is carrier, to audio (low frequency), and video signal or pulse signal carrying out, on needs can produced high frequency of oscillation Manager. In the field of industry, agriculture, bio-medical, such as high-frequency induction heating, melting, quench, ultrasound Diagnostics, such as magnetic resonance imaging, you need power or large or small, or high or low frequency oscillator. Waveform generator widely used in major universities and research establ