最新論文《信號發(fā)生器》

1、12-13學(xué)年第二學(xué)期開放性實驗項目題目: 簡易信號發(fā)生器設(shè)計 院系名稱： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級： 電氣F1103班 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 王偉生 教師職稱： 副教授 實訓(xùn)地點： 創(chuàng)新實驗室 地 點： 31520 開放性實驗成績教師簽名： 年 月 日創(chuàng)新實驗室開放實驗任務(wù)書題目： 簡易信號發(fā)生器設(shè)計1、 實訓(xùn)的目的及任務(wù)1、 實訓(xùn)的目的創(chuàng)新實驗室開放性實驗是學(xué)生應(yīng)用已學(xué)的計算機、模擬數(shù)字電路、微控制器原理、傳感器技術(shù)、PLC、機電一體化等知識，進行綜合實踐的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考、獨立解決問題的能力，努力開拓學(xué)生的知識面和創(chuàng)造力。2、 實訓(xùn)的任務(wù)本實踐環(huán)節(jié)主要以51微控制器和運放

2、以及數(shù)字集成芯片為主要應(yīng)用對象，學(xué)習(xí)簡易信號發(fā)生器設(shè)計的實驗制作方法，熟悉實驗制作和仿真過程，并能以動態(tài)的形式進行顯示。2、 實訓(xùn)的內(nèi)容與要求 學(xué)生獨立實驗制作簡易信號發(fā)生器，要求電路能輸出正弦波、方波和三角波等三種波形；輸出信號的頻率要求可調(diào)；并能根據(jù)性能指標，計算元件參數(shù)，選好元件，設(shè)計電路并畫出電路圖。擴展要求為輸出信號的幅度和頻率要求連續(xù)可調(diào)，幅度范圍為0-5V，頻率范圍100Hz-10KHz。 技術(shù)指標為頻率范圍：100Hz-1KHz，1Kz-10KHz；輸出電壓：方波VP-P24V，三角波VP-P=6V，正弦波VP-P=1V；方波tr小于1uS。3、 實訓(xùn)模式本課程為實驗教學(xué)，以分

3、組形式完成。教師分階段提出問題、解答學(xué)生的疑問，檢查學(xué)生的進度和完成情況。4、 實訓(xùn)學(xué)時分配地點：蓮花街校區(qū)31520室。時間：412周。5、 參考資料1嚴雋永譯嵌入式微控制器北京：機械工業(yè)出版社20052楊國田，白焰68HC12微控制器原理、應(yīng)用于開發(fā)技術(shù)北京：電力出版社20033何立民微控制器應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計北京：北京航空航天大學(xué)出版社20024 胡漢才.MCS-51單片機原理與應(yīng)用.北京：北京清華大學(xué)出版社，1997，75常小玲.電氣控制技術(shù)與可編程控制器 北京機械工業(yè)出版社2006，12審查意見： 領(lǐng)導(dǎo)簽字： 2013年4月13日摘 要信號發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號的儀器，電路形式

4、可以采用由運放及分離元件構(gòu)成，也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。針對學(xué)校教學(xué)實驗和業(yè)余制作測試等需要，本設(shè)計以運算放大器LM324為核心器件，設(shè)計了一個能產(chǎn)生常用波形的簡易低頻信號發(fā)生器。經(jīng)過計算分析確定了電路的相關(guān)參數(shù)，在Proteus中進行了仿真，并通過實驗測試獲得了20Hz至20KHz的所需波形。該信號發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟實用，信號的頻率與幅度均可以調(diào)節(jié)，波形穩(wěn)定、失真度小。關(guān)鍵字信號發(fā)生器 設(shè)計與仿真 Proteus LM324 目 錄 1 引言52 系統(tǒng)總體設(shè)計方案比較5 2.1用分立元件組成5 2.2用函數(shù)發(fā)生器集成芯片7 2.3基于單片機的信號發(fā)

5、生器73 系統(tǒng)總體設(shè)計方案84 硬件電路設(shè)計84.1 正弦波產(chǎn)生電路84.2 方波產(chǎn)生電路104.3三角波產(chǎn)生電路105 電路仿真與測試116 結(jié)論127 參考文獻 138 附錄A 總電路圖149 附錄B 元件清單151 引言函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。在現(xiàn)代電子學(xué)的各個領(lǐng)域,常常需要高精度且頻率可方便調(diào)節(jié)的信號發(fā)生器。頻率越高、產(chǎn)生波形種類越多的發(fā)生器性能越好, 但器件成本和技術(shù)要求也大大提高, 因此在滿足工作要求的前提下, 性價比高的發(fā)生器是我們的首選。信號發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號的儀器，電路形式可以采用由運放及分離元件構(gòu)成，也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生

6、器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。目前廣泛使用的一些標準產(chǎn)品，雖然功能齊全、性能指標較高，但是價格較貴，而且有許多功能用不上。這里采用帶有差動輸入的四運算放大器LM324為核心器件，通過RC橋式振蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過積分電路產(chǎn)生三角波。通過Proteus軟件仿真和模擬實驗獲得了20Hz至20KHz的理想的波形，信號的頻率和幅度都可以調(diào)節(jié)。2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案比較2.1用分立元件組成的信號發(fā)生器傳統(tǒng)的信號發(fā)生器多應(yīng)用此類方法。正弦式函數(shù)信號發(fā)生器工作過程是正弦振蕩器輸出正弦波,經(jīng)緩沖級隔離后, 分為兩路信號, 一路送放大器輸出正弦波, 另一路作為方波形成器的

7、觸發(fā)信號。方波形成器通常是施密特觸發(fā)器, 它輸出兩路信號, 一路送放大器, 經(jīng)放大后輸出方波另一路作為積分器的輸人信號。積分器將方波變換為三角波, 經(jīng)放大后輸出。三種波形的輸出由開關(guān)進行控制。正弦波振蕩器大多都采用RC串并聯(lián)橋式振蕩器, 其特點是頻率穩(wěn)定, 易于調(diào)節(jié), 并且波形失真小和易于穩(wěn)幅。其典型電路如圖1所示。 圖1 RC串并聯(lián)橋式振蕩器其振蕩頻率決定于RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率, 表達式為通過調(diào)節(jié)R，C值即可調(diào)節(jié)輸出正弦波的頻率。方波形成電路通常是過零比較器, 典型電路如圖2所示。輸入為正弦波, 通過比較器，輸出變?yōu)榉讲ㄐ盘枴D2 過零比較器方波通過積分電路便成為三角波，典型的積分電

8、路如圖3所示。圖3 積分器2.2利用專門的函數(shù)發(fā)生器集成芯片利用專門的函數(shù)發(fā)生器集成芯片能產(chǎn)生多種波形, 達到較高的頻率, 外圍電路簡單且易于調(diào)試。早期的函數(shù)信號發(fā)生器芯片,如L8038、BA205等，但它們的功能較少,精度不高, 頻率上限只有, 無法產(chǎn)生更高頻率的信號, 調(diào)節(jié)方式也不夠靈活, 頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié), 二者互相影響。鑒于此, 美國馬克西姆公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號發(fā)生器芯片MAX038，它克服了上述芯片的缺點, 可以達到更高的技術(shù)指標, 是上述芯片望塵莫及的。2.3基于單片機的數(shù)字化函數(shù)信號發(fā)生器基于單片機的數(shù)字化函數(shù)信號發(fā)生器具有線路相對簡單, 結(jié)構(gòu)緊湊, 價格低廉, 頻率

9、穩(wěn)定度高,抗干擾能力強, 用途廣泛等優(yōu)點, 并且能夠?qū)Σㄐ芜M行細微調(diào)整, 改良波形, 使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改, 調(diào)整程序, 即可完成功能升級。常用的為單片機+D/A芯片，如圖4所示。圖4 單片機+D/A芯片 3 系統(tǒng)總體設(shè)計方案正弦波采用RC橋氏振蕩電路產(chǎn)生，其特點是振幅和頻率穩(wěn)定且調(diào)節(jié)方便，能夠產(chǎn)生頻率很低的正弦信號；然后用過零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過RC積分電路產(chǎn)生三角波，三種信號的頻率相同，如圖5所示。圖5波形產(chǎn)生與變換示意圖4 硬件電路設(shè)計4.1 正弦波產(chǎn)生電路正弦波產(chǎn)生電路不僅要產(chǎn)生所需輸出的正弦信號，而且是后面電路的輸入信號。該部分電路采用典型的橋氏正弦波振蕩電路，如

10、圖所示，它由放大環(huán)節(jié)與選頻網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。以運算放大器為核心構(gòu)成放大環(huán)節(jié)，由電阻與電容串聯(lián)、電阻與電容并聯(lián)所組成的網(wǎng)絡(luò)為串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。選頻網(wǎng)絡(luò)同時為正反饋電路，提供零相移并構(gòu)成同相放大器，為深度負反饋，以獲得良好的輸出波形。若 ， ，則選頻網(wǎng)絡(luò)的中心頻率為 （）。當電路工作于該頻率時，反饋系數(shù)最大且為 ，根據(jù)振蕩條件，放大電路的電壓增益至少應(yīng)該為（），因此為了保證電路起振，要求 。圖6 橋式振蕩電路在實際應(yīng)用中，為了能夠調(diào)節(jié)頻率與放大器的增益，可采用如圖所示電路。其中： 與二極管，構(gòu)成負反饋網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。調(diào)節(jié)可改變負反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)整放大電路的電壓增益，使之滿足振蕩的復(fù)制條件。圖7

11、振蕩仿真電路 鑒于信號頻率跨度較大，因此采用組各只容量相差倍的電容和只同軸電位器來調(diào)節(jié)。選用不同的電容作為振蕩頻率的粗調(diào)，用同軸電位器實現(xiàn)的微調(diào)。不同電容及振蕩頻率對應(yīng)的電阻阻值如表8所示。表8振蕩頻率與電阻電容的對應(yīng)關(guān)系頻率頻率020Hz200Hz2KHz20KHz330nF24K2.4K-33nF-24K2.4K-3.3nF-24K2.4K如要產(chǎn)生的信號，可將電容置為，再同時調(diào)節(jié)，使之與，串聯(lián)的阻值在之間變化4.2 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路相對比較簡單，將運算放大器的反相輸入端接地，同相輸入端接正弦波產(chǎn)生電路的輸出端構(gòu)成過零比較器，如圖9所示。圖9方波產(chǎn)生電路當輸入的正弦信號在正負半周之間

12、變化時，輸出為幅值固定且與正弦波同相的方波信號。4.3 三角波產(chǎn)生電路三角波產(chǎn)生電路采用如圖10所示的積分電路，由運放：、與、組成。圖10三角波產(chǎn)生電路方波信號通過和接放大器的反相輸入端，輸出信號由，與組成的電路進行積分變換產(chǎn)生的三角波。電容，通過波段開關(guān)（該開關(guān)應(yīng)該與選頻率網(wǎng)絡(luò)的波段開關(guān)同步）選擇，以改變不同頻段電路的積分時間常數(shù)，電位器可以調(diào)節(jié)輸出信號的幅度。為獲得線性良好的三角波，采用電阻進行負反饋限幅，并在選擇元件參數(shù)時，應(yīng)使積分電路的時間常數(shù) 大于方波信號周期的一半（方波的寬度）。如信號頻率為，則方波的寬度為，若取，則。5 電路仿真與測試 結(jié) 論 Proteus是集電路設(shè)計、分析、仿

13、真、制版等多種功能于一身的實物仿真軟件，利用Proteus的ISIS進行設(shè)計仿真后，可以將設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入Proteus的ARES進一步設(shè)計PCB，因此通過Proteus仿真技術(shù)，提高了電路設(shè)計的效率和質(zhì)量。LM324是低成本的四運算放大器，以其為核心器件設(shè)計的低頻信號發(fā)生器具有電路簡單、波形穩(wěn)定、經(jīng)濟實用、使用方便等優(yōu)點，能夠輸出實驗測試常用的正弦波、方波和三角波信號，而且信號的頻率和幅度均可以調(diào)節(jié)。該信號發(fā)生器可用于學(xué)校的教學(xué)實驗演示和業(yè)余制作測試。 幅。文氏橋振蕩器的典型電路如圖所示。圖文氏電橋振蕩器一般取, , , 參 考 文 獻張曉，趙曰峰，董鴻江低頻信號發(fā)生器的設(shè)計現(xiàn)代電子技術(shù)

14、，2009石玉軍，劉振來函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與仿真現(xiàn)代電子技術(shù)，2008華成英，童詩白模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4版北京：高等教育出版社，2006康華光電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）5版北京：高等教育出版社，2006夏新凡，陳曉君，伍玉，等正弦信號發(fā)生器的設(shè)計電子設(shè)計工程，20096朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等Proteus教程：電子線路設(shè)計、制版與仿真北京：清華大學(xué)出版社，2008附 錄A總電路圖：附 錄B元件清單：Bill Of Materials=QTY PART-REFS VALUE - - - Resistors-2 R1,R2 2.2k 2 R3,R7 5.1k 1 R4 6.8k 1 R5 2.7k 1 R6 20k 1 R8 10k 1 R9