簡易正弦信號發(fā)生器設計

課程設計(論文)題目簡易正弦信號發(fā)生器設計學院名稱電氣工程學院指導教師職稱班級學號學生姓名2016年10月10日頁，共10頁1緒論正弦信號源在實驗室和電子工程設計中有著十分重要的作用，正弦信號主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器;按輸出電平可調節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器(即信號源)、標準信號發(fā)生器(輸出功率能準確地衰減到-100分貝毫瓦以下)和功率信號發(fā)生器(輸出功率達數(shù)十毫瓦以上);按頻率改變的方式分為調諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。正弦信號是一種頻率成分最為單一的常見信號源，任何復雜信號(例如聲音信號)都可以通過傅里葉變換分解為許多頻率不同、幅度不等的正弦信號的疊加，它的應用領域很廣范。正弦信號發(fā)生器廣泛地應用在電子技術試驗、自動控制系統(tǒng)和通信、儀器儀表、控制等領域的信號處理系統(tǒng)中及其他機械、電聲、水聲及生物等科研領域。2Multisim軟件介紹Multisim軟件是一個專門用于電子線路仿真與設計的EDA工具軟件。作為Windows下運行的個人桌面電子設計工具，Multisim是一個完整的集成化設計環(huán)境。Multisim計算機仿真與虛擬儀器技術可以很好地解決理論教學與實際動手實驗相脫節(jié)的這一問題。學生可以很方便地把剛剛學到的理論知識用計算機仿真真實的再現(xiàn)出來，并且可以用虛擬儀器技術創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。Multisim軟件特點：直觀的圖形界面豐富的元器件庫豐富的測試儀器完備的分析手段強大的仿真能力Multisim整個操作界面就像一個電子實驗工作臺，繪制電路所需的元器件和仿真所需的測試儀器均可直接拖放到屏幕上，輕點鼠標可用導線將它們連接起來，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實物相似，測量數(shù)據(jù)、波形和特性曲線如同在真實儀器上看到的一樣。Multisim既可對模擬電路或數(shù)字電路分別進行仿真，也可進行數(shù)模混合仿真，尤其是新增了射頻(RF)電路的仿真功能。仿真失敗時會顯示出錯信息、提示可能出錯的原因，仿真結果可隨時儲存和打印。3設計要求3.1設計要求（1）采用分立元件或者集成元件模塊完成簡易正弦信號發(fā)生器原理圖設計（2）完成原理圖仿真(可選用Multisim)（3）完成實物制作3.2技術指標輸入直流電壓：E=±15V輸出正弦波最大峰-峰值：Vpp=14V～20V輸出正弦波頻率：0.7Hz～7kHz連續(xù)可調輸出正弦波峰-峰值可調4方案設計與論證4.1設計思想選頻網(wǎng)絡穩(wěn)幅電路正弦波反饋網(wǎng)絡放大電路選頻網(wǎng)絡穩(wěn)幅電路正弦波反饋網(wǎng)絡放大電路圖4.1正弦波發(fā)生器設計框圖TOC\o"1-2"\h\z\u圖4.2正弦波振蕩電路示意圖4.2總體方案方案一： RC移相式振蕩器產(chǎn)生正弦波，它具有電路簡單，經(jīng)濟方便等優(yōu)點。在加入電位器的情況下能夠實現(xiàn)頻率連續(xù)可調，輸出幅值可調，且穩(wěn)定性較高。其振蕩頻率是fo=1/2π6RC方案二： RC串并聯(lián)文氏橋振蕩電路產(chǎn)生正弦波，它的電路振蕩頻率為fo=1/2πRC；起振條件是|Au|方案三：雙T選頻網(wǎng)絡振蕩電路，電路的振蕩頻率fo=1/5RC,起振條件是R'<R/2，|A|5設計原理及電路圖5.1設計原理產(chǎn)生正弦波自激振蕩的平衡條件：A實質上，只要電路中的反饋是正反饋，相位平衡條件就一定滿足，這是由電路結構決定的，而幅度平衡條件則是由電路參數(shù)決定的，當環(huán)路增益AF=1時，電路產(chǎn)生等幅振蕩；AF<1時，產(chǎn)生減幅振蕩；AF>1時，電路產(chǎn)生增幅振蕩。選頻特性： 在振蕩電路中，當放大電路或正反饋網(wǎng)絡具有選頻特性時，電路才能輸出所需頻率fo的正弦信號。即在電路的選頻特性作用下，只有頻率為f穩(wěn)幅措施： 如果振蕩電路滿足起振條件，在接通直流電源后，它的輸出信號將隨時間的推移逐漸增大。當輸出信號幅值達到一定程度后，放大環(huán)節(jié)的非線性器件接近甚至進入飽和或截止區(qū)，這時放大電路的增益A將會逐漸下降，直到滿足平衡條件AF=1，輸出辛哈將不會再增大，從而形成等幅振蕩。這就是放大電路中的非線性器件穩(wěn)幅的原理。由于放大電路進入非線性區(qū)后，信號幅度才能穩(wěn)定，所以輸出信號必然會產(chǎn)生非線性失真（削波）。為了改善輸出信號的非線性失真，常常在放大電路中設置非線性負反饋網(wǎng)絡（如，半導體二極管等），使放大電路未進入非線性區(qū)時，電路滿足幅度平衡條件（AF=1），維持等幅振蕩輸出。這是一種比較好的穩(wěn)幅措施。圖5.1穩(wěn)幅非線性負反饋網(wǎng)絡正弦波信號發(fā)生器的分析方法：檢查電路的組成，檢查電路是否同時具備放大、反饋、選頻和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。分析放大電路是否能正常工作對分立元件電路，首先估計放大電路靜態(tài)工作點是否合適，其次分析交流通路是否能正常傳遞信號，對集成運放檢查輸入端是否有直流通路。分析電路自激振蕩的條件是，首先判斷相位條件，其次是判斷幅度條件。相位條件的判別就是判別電路中的反饋是否是正反饋。具體方法是從振蕩電路的輸出尋找反饋網(wǎng)絡，在反饋網(wǎng)絡的輸出與基本放大電路的輸入端處斷開反饋環(huán)，在斷開處給放大電路施加一假想的信號，用瞬時法判別反饋極性。若反饋為正反饋，電路滿足相位條件，有可能產(chǎn)生振蕩，否則不會產(chǎn)生振蕩。幅度條件的判別是計算環(huán)路增益AF的大小。若AF<1不能振蕩；AF=1能產(chǎn)生等幅振蕩；AF>1產(chǎn)生增幅振蕩（起振條件）。估算振蕩頻率： 振動器fo的大小取決于選頻網(wǎng)絡的參數(shù)。在放大電路中，為了改善電路性能，通常引入負反饋（中頻區(qū)）。當電路附加相移（高頻區(qū)或低頻區(qū)）改變了反饋信號的極性時，電路中的負反饋就會變成正反饋。此時，若反饋環(huán)路增益滿足一定條件，電路就會產(chǎn)生 在振蕩電路中，人為地引入正反饋，并使反饋環(huán)路增益滿足一定的條件，那么，電路在沒有外部激勵的情況下會產(chǎn)生輸出信號，即產(chǎn)生自激振蕩。無論在放大電路還是在振蕩電路中，自激振蕩的本質是相同的。即振蕩時電路中的反饋一定是正反饋，并且反饋環(huán)路增益必須滿足一定的條件。5.2仿真電路圖圖5.2正弦波發(fā)生器電路圖正弦波信號發(fā)生器一般由放大電路、正反饋電路、選頻網(wǎng)絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)組成。其中選頻網(wǎng)絡既可以包含在放大電路內(nèi)，也可以包含在正反饋網(wǎng)絡中。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)一般由放大電路電路中的非線性元件或增加非線性負反饋網(wǎng)絡實現(xiàn)。6軟件仿真與硬件調試6.1軟件仿真在本次課程設計中我選用NI公司推出的Multisim10.0軟件進行軟件仿真設計。同時在集成運放的選擇上，我選擇的是一款雙運算放大器TL082CN，其特點有：較低的輸入偏置電壓和偏移電流；輸出設有短路保護；輸入級具有較高的輸入阻抗；內(nèi)建頻率補償電路；較高的壓擺率。最大工作電壓VCC圖6.1TL082內(nèi)部框圖圖6.2TL0821/2運算電路圖在Multisim軟件電路圖中加入所需的各個元器件，然后按設計的電路圖連接各個元件，檢查無誤后啟動仿真，用軟件自帶的測量儀器測量各個點的輸出波形。如下圖所示：當R2=5KΩ，R7=R13=50KΩ時圖6.3U3A的輸出波形當R2=5KΩ，R7=R13=90KΩ時圖6.4U3A的輸出波形通過上圖的對比分析當同時調節(jié)R7和R13到相同的阻值是能起到調節(jié)輸出正弦波信號的頻率的作用。6.2硬件調試通過對所設計的電路圖進行軟件仿真，發(fā)現(xiàn)此電路基本能達到所需要的設計要求，因此進入下一步的實物制作環(huán)節(jié)。首先按照所設計的電路進行實物的焊接工作，完成實物的焊接后，再用萬用表對實物進行檢查。檢查是否有短路、虛焊、斷路現(xiàn)象。完成這些操作后，正確的把電路板接入電源。用示波器檢測波形的幅頻特性和觀察波形是否失真。調制完善后。用示波器對波形進行測量，在大致不是真的情況下，頻率在1Hz~7kHz，頻率理論值計算如下；C1=C2=10nF；R2=0~10k；R7=R13=0~100k但由于電位器的固有噪聲在旋動中會有波形跳動的現(xiàn)象，所以電位器的品質直接影響著頻率輸出的穩(wěn)定性。本電路的最高輸出頻率取決于C3、C4、R8、R9選頻網(wǎng)絡的值和運放的響應頻率。7收獲與體會通過此次課程設計，使我更加扎實的掌握了高頻電子線路方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經(jīng)過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經(jīng)驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。正弦波的產(chǎn)生電路時基于TL082集成運放實現(xiàn)的，通過放大電路的自激振蕩來完成，這需要放大器滿足自激振蕩的條件：AF=1；φA+通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得出結論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現(xiàn)問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可!8．參考文獻[1]黃智偉.基于NIMultisim的電子電路計算機仿真設計與分析[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011.6.[2]沈偉慈.通信電路[M].西安：西安電子科技大學出版社，2011.9.[3]張肅文.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,2009.5.[4]黃智偉.混頻器電路設計[M].西安電子科技大學出版社,2009.[5]曹才開，姚屏.高頻電子線路原理與實踐.長沙：中南大學出版社，2010.[6]楊翠娥.高頻電子線路實驗與課程設計[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2005.[7]胡宴如.高頻電子線路[M].北京:高等教育出版社,2009.5.[8]張玉興.射頻模擬電路[M].北京:電子工業(yè)出