模擬電子課程設(shè)計(jì)--波形信號(hào)發(fā)生器

1、<p>　　模擬與數(shù)字電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告</p><p>　　設(shè)計(jì)課題：波形信號(hào)發(fā)生器</p><p>　　專業(yè)班級(jí)：電子信息工程1002</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>

2、<b>　　設(shè)計(jì)時(shí)間：</b></p><p><b>　　題目：信號(hào)發(fā)生器</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　信號(hào)發(fā)生器又稱為波形發(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)

3、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)用于各大院校和

4、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。</p><p>　　關(guān)鍵詞：正弦波；方波；三角波；低頻信號(hào)源</p><p>　　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)給用戶使用帶來(lái)不便。雖然目前市場(chǎng)上的高性能的任

5、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)電控制的用戶而言頻帶不需要很寬。所以一種既能滿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)原理樣機(jī)的性能提出了改進(jìn)方案。</p><p><b>　　1設(shè)計(jì)任務(wù)與要求</b></p><p>　?。?）具有產(chǎn)生正弦波、方波、三角波

6、三種周期性波形的功能；</p><p>　?。?）正弦波幅值±10V，方波幅值±10V；</p><p>　?。?）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)；</p><p>　　（4）輸出波形工作頻率范圍為100HZ~10KHZ，且連續(xù)可調(diào)。</p><p><b>　　2方案設(shè)計(jì)與論證</

7、b></p><p><b>　　方案一∶</b></p><p>　　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∶</p><p&g

8、t;　　采用鎖相環(huán)式頻率合成器。利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（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。</p><p><b>　　方案三：</b&

9、gt;</p><p>　　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。 </p><p>　　圖1. 正弦波、方波、三角波信號(hào)發(fā)生器的原理框圖</p><p>　　RC正弦波振蕩電路、電壓比

10、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。</p><p>　　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。&l

11、t;/p><p>　　3單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算</p><p><b>　　3.1單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　(1)正弦波發(fā)生電路的工作原理</p><p>　　圖2. 正弦波發(fā)生器原理圖</p><p>　　圖3. 正弦波發(fā)生器工作波形</p><p>　　

12、正弦波發(fā)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)。</p><p>　?。?）正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　圖4. 方波發(fā)生器原理圖<

13、;/p><p>　　圖5. 方波發(fā)生器工作波形</p><p>　　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。</p><p>　?。?）方波—三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　圖6

14、. 方波產(chǎn)生三角波原理圖</p><p>　　圖7. 三角波發(fā)生器工作波形</p><p>　　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)。</p><p><b>　　3.2參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　和頻率有關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)穩(wěn)定振蕩條件： ,在

15、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;</p><p><b>　　同理</b></p><p>　　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。</p><p><b>　　負(fù)反饋回路參數(shù)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　根據(jù)

16、振蕩條件:</b></p><p>　　在這由于實(shí)際運(yùn)算放大器的特性并不理想，開環(huán)增益有限，故要適當(dāng)消弱負(fù)反饋，才能真正滿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</p><p>　　穩(wěn)幅電路的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算</p><p>　　為了采取穩(wěn)幅措施，加入二極管進(jìn)行穩(wěn)

17、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，這里正好滿足</p><p>　　4總原理圖及元器件清單</p><p>&l

18、t;b>　　4.1總電路圖</b></p><p>　　圖8. 函數(shù)發(fā)生器總電路圖</p><p><b>　　4.2元件清單</b></p><p><b>　　5 安裝與調(diào)試</b></p><p>　　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

19、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。</p><p>　　5.2調(diào)試： 電路安裝好后，檢查元件和引線連接無(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。</p><p><b>　　（1）粗調(diào)</b></p><p>　　為便于檢查，粗調(diào)時(shí)可將C3斷開，分別檢查振蕩電路和射隨器電器部分。振蕩電路

20、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)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。</p>

21、<p><b>　　（2）細(xì)調(diào) </b></p><p>　　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)滿足100Hz~10KHz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

22、，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)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。</p><p>　　6 性能測(cè)試與分析</p><p>　?。?）放波輸出電壓 Up—p《=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

23、波輸出度小于電源電壓值。 </p><p>　　（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。</p><p>　　7 結(jié)論與心得: </p><p>　　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。模電這門課程是一門需要徹底鉆進(jìn)去才能學(xué)有所成的課程，要想把它學(xué)好，真

24、的需要我們拿出自己那份極其認(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)。</p><p>　

25、　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)迷津，讓我反復(fù)的斟酌，仔細(xì)的推敲，才圓滿的完成了本次課程設(shè)計(jì)。真心的感謝老師！</p><p><b>　　8 參考文獻(xiàn)</b></p><p&g

26、t;　　[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.</p><p>　　[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.</p><p>　　[3] 羅先覺(jué)，《電路》第5版，高等教育出版社，2006. </p><p>　　[4] 劉潤(rùn)華，任旭虎編《

27、電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)》.</p><p>　　[5] 李翠華.信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì).科技廣場(chǎng)2009.1.</p><p>　　Title: signal generator</p><p>　　designers: Shi Xiaomeng</p><p>　　mentors: Cui Jin flowers</p><p

28、><b>　　abstract</b></p><p>　　signal generator also known as waveform generator, is a standard signal of electronic devices, are frequently used in industrial production and electrical and elect

29、ronic Labs one of the electronic instrument. Signal generator can has multiple achieved method, and frequency more high produced waveform more more of signal generator more good, can from signal generator of produced con

30、ditions and the using area aspects consider its achieved method digital system in the needs of special signal, as sq</p><p>　　Keywords: sine wave; wave; triangle waves; low-frequency signal source</p>