实用信号源的设计和制作(DOC)

实用信号源的设计和制作

目录

第1章设计任务书 (1)

1.1任务 (1)

1.2要求 (1)

第2章总体方案设计 (2)

2.1本设计总体方案 (2)

2.2正弦波信号生成方案 (2)

2.2.1振荡信号的生成方法 (3)

2.2.2RC振荡原理与振荡条件 (3)

2.2.3振荡电路的稳幅方法 (5)

2.3频率步进方案 (6)

第3章电路设计和仿真分析 (8)

3.1RC振荡与稳幅电路设计 (8)

3.1.1电路参数计算 (8)

3.1.2电路仿真与分析 (10)

3.2正弦波调幅电路设计 (11)

3.2.1电路参数计算 (11)

3.2.2电路仿真与分析 (12)

3.3脉冲波生成电路设计 (13)

3.3.1电路参数计算 (13)

3.3.2电路仿真与分析 (14)

3.4频率计的设计 (18)

第4章设计总结 (20)

参考文献 (21)

附录Ⅰ仿真电路图 (22)

附录Ⅱ 10MHZ频率计 (23)

第1章设计任务书

1.1任务

在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。

1.2要求

1．基本要求

（1）正弦波信号源

① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

② 频率稳定度：优于10-4

③ 非线性失真系数≤3%

（2）脉冲波信号源

① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

② 上升时间和下降时间：≤1μs

③ 平顶斜降：≤5%

④ 脉冲占空比：2%～98%步进可调，步长为2%

（3）上述两个信号源公共要求

① 频率可预置。

② 在负载为600Ω时，输出幅度为3V。

③ 完成5位频率的数字显示。

2．发挥部分

（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。

（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。

（4）降低正弦波非线性失真系数。

第2章 总体方案设计

2.1 本设计总体方案

由于对可编程器件等知识掌握有限，本设计采用采用分立元件实现

方案一：如图2.1所示。

图2.1 信号输出方案一

方案二：如图2.2所示。

图2.2 信号输出方案二

考虑电路结构和实现方便，拟采用方案二。

系统总体框图如图2.3所示。所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。频率产生单元由振荡电路和电压放大电路构成，能够产生频率可调的正弦波信号，正弦波信号的幅度调整后经电压比较器和脉冲调幅电路输出要求的脉冲波。

图2.3系统总体框图

2.2 正弦波信号生成方案

信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率设置精度、相位噪声、信号

频谱纯度是信号发生器性能的重要指标，都与频率产生单元有关，在本设计中频率产生单元首先生成正弦波信号，正弦波信号的频率大小直接影响后面脉冲波信号的步进，因此正弦波信号的产生方法十分重要。

正弦波信号的生成包括振荡和稳幅两个过程。

2.2.1振荡信号的生成方法

振荡信号可以由三种形式的振荡器产生。

1. LC 振荡器

这种振荡器，由于LC 体积大、频率变化范围小、品质因数Q 值较小，故一般不太适合用于低频信号振荡器，而在一般高频信号振荡器中使用较多。

2. 差频振荡器

由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号，此差频信号经过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。这种振荡器频率覆盖面宽，缺点是受高频基准振荡器频率稳定度的影响很大，所以输出频率稳定性较差，在低频端尤为显著，使用时需要经常校正。

3. RC振荡器

RC 振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，不仅降低了成本，而且还具有较高的频率稳定性，调节使用较方便，因而在低频信号发生器中被广泛地应用。典型的RC 振荡器叫做文氏电桥振荡器。

文氏电桥振荡器的优点是在同一频段内比LC 振荡器的频率范围宽，其频率变化比值（以最高频率与最低频率之比表示）可达10∶1，而LC 振荡器只有3∶1左右。振荡波形是正弦波，失真小。频率稳定性高，在所有工作频率范围内，振幅几乎等于常数。低频信号发生器中多采用这种电路。

因此设计中采用RC 振荡器产生正弦振荡信号。

2.2.2 RC振荡原理与振荡条件

正弦波产生电路一般应放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路几个基本组成部分。判断一个电路是否为正弦波振荡器，就看其组成是否含有上述四个部分。

1. RC桥式振荡电路的构成

RC桥式振荡电路如图2.4所示。RC 串并联网络接在运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外Rf、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路。由图2.5可见，正反馈电路与负反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。

2. 正弦振荡条件

判断正弦振荡的一般方法是：

（1）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有可能

振荡；

（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。

（3）分析是否满足幅度条件, 检验 ，若 ① ，则不可能振荡；

② ，能振荡，但输出波形明显失真；

③ ，产生振荡。振荡稳定后 ，再加上稳幅措施，振荡稳

定，而且输出波形失真小。

对于图2.5，输入信号由同相端输入（即振荡信号由此输入），根据虚短、虚断可求得负反馈闭环电压放大倍数为：

（2-2）

振幅条件： （2-3）

相位起振：

（2-4）

?

?

F A 1

?F A 1>>?

?F A 1>?

?F A 1

=??F A

2）二极管稳幅

图2.5 二极管稳幅电路及原理

图2.5（a ） 中二极管VD1 和VD2 用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。起振时，由于集成运放的输出电压很低，VD1 和VD2 接近于开路，负反馈并联电路的等效电阻近似等于Rf ， AF > 1，电路产生振荡．随着集成运放输出电压的增大，当Rf 上的分压超过二极管的正向导通电压时，流过Rf 上的电流被分流，负反馈支路的反馈系数增大，迫使AF 逐渐等于1，最终电路进入稳幅工作状态。

考虑到调试的方便，设计中采用二极管稳幅方法。

(b ) 稳幅原理

2.3 频率步进方案

若要实现输出的信号频率范围为20Hz ～20KHz ，频率步进为5Hz ，可以使用键盘或开关输入的方式，在这里为了调试方便，保证实验的精确性并且实现频率的细微调整，尤其是10KHz 以上频率的微调，将频率按照10倍频程分为3段：20～200～2000～20KHz ，每个频段的RC 振荡电容分别为0.1μF 、0.01μF 、0.001μF ，由拨码开关J1实现电容的接入。

设RC 振荡电路串、并支路的电阻分别为1R 和2R ，电容分别为1C 和2C 。若R1 =R2=R ，C1=C2=C ，则电路的振荡频率为

RC

f π210= （3-1）

设频率由1f 步进到2f ，步长为5Hz ，则电阻R 的变化量为

)11(2121f f C R -=?π （3-2）

在不同频段（C 为不同值）时电阻R 的取值和变化见表2-1。

通过上面的分析计算知在不同的频段，当频率5Hz 步进时，电阻R 的变化不同，大到十几K Ω，小到几Ω，由于精度所限，大多数双联电位器的精度为5%，因此为实现频率的微小步进，应将电阻分档，实现频率由粗调到微调的细化。调频时，首先调节100K Ω的双联电位器，再逐级调节10 K Ω、1 K Ω、100Ω、20Ω

的电位器，这样可实现频率5Hz步进。

第3章电路设计和仿真分析

本设计采用的设计方案为RC文氏桥振荡----稳幅振荡---正弦波调幅----电压比较---脉冲波调幅----整形。

3.1RC振荡与稳幅电路设计

3.1.1电路参数计算

图3.1为RC文氏桥振荡与稳幅电路。设计上采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段和步进。

3.1.2电路仿真与分析

下面以Multisim11.0为工作平台，分析RC 桥式正弦波振荡电路。

首先创建实验电路。运行Multisim11.0软件进入主窗口，将原理图中的所有元件和仪器从元件库中调出并设置好参数，编辑电路如图3.1，图中电路符号均采用北美标准（ANSI）。加上示波器和频率计，图3.1中RC文氏桥输出的电压接在示波器的Channel A，稳幅电路的输出信号Vb接在示波器的Channel B和频率计上。打开示波器面板，将Time base 设置为200μs/DIV，显示方式设置为Y/T，Channel A 和Channel B 设置为5 V/DIV。启动仿真开关后，若振荡没有建立，逐级调节双联电位器，直到波形无明显失真并满足频率要求。图 3.2 C=0.01μF，R=55.56KΩ时的正弦波稳幅输出图形和频率计的输出值，此时频率为452Hz，频率的稳定度很好。图3.2中振幅较大的是集成运放输出电压Vb的波形，振幅较小的是集成运放同相输入端电压Va的波形。

图3.2 C=0.01μF时R=55.56KΩ时的稳幅图形

图3.3 C=0.01μF时R=55.56KΩ时的频率计的输出

调节1KΩ的电位器的值，可实现频率步进，如图3.4所示，可见可以实现5Hz 的步进。

图3.4 C=0.01μF时R= R=55.56KΩ时的频率计的输出

3.2正弦波调幅电路设计

3.2.1电路参数计算

正弦波调幅电路如图3.5所示。

R1410kΩ

图3.5 正弦波调幅电路

为实现300mv ～3v 的输出要求，在稳幅电路后设计了分压电路，分压后的输出电压Vc 为：

Vb Vb R R R Vc 7

.21

676=+=

(3-3)

该分压电路由开关J3控制其接入电路，当稳幅电路输出的电压较大时，按下开关J3，接入分压电路，降低Vc 后，再由后面的调幅电路调整输出信号的幅度。在运放TL082的负反馈支路中设置了幅度粗调电位器R14和细调电位器R13，可实现输出电压的精确调整。

3.2.2 电路仿真与分析

先调节幅度粗调电位器R14，再调节细调电位器R13 ，在

R 为600 Ω时，可精确实现输出幅度为3V 。图3.6所示为 R=600Ω时经调幅后的仿真图形

图3.6 R=600Ω时经调幅后的仿真图形

3.3 脉冲波生成电路设计

3.3.1 电路参数计算

脉冲波生成电路图如图3.7所示。其中第一个运放是电压比较器，其输出电压为正弦波调幅电路的输出电压Vd 与Ve 比较的结果，当Vd 大于Ve 时，运放输出满幅值+15V ，当Vd 小于Ve 时，运放输出-15V 。电位器R24用于调整比较电压Ve 的大小，以便改变输出脉冲波的占空比。

V V K R R Ve 5130302024-?Ω

+= (3-4)

第二个运放用来调节脉冲波的幅度，与正弦波幅度的调节方法相似。

图3.7 脉冲波生成电路

3.3.2电路仿真与分析

当R24=5KΩ时，占空比为50%，仿真图形如图3.8所示，上升时间为3.766sμ，下降时间为3.766sμ，与实验要求的1sμ有差距，若在输出信号后加上触发电路整形，则波形会更理想，由于时间问题，这里暂不做调整。

图3.8 当R24=5K 时，占空比为50%的仿真图形改变R24的值，占空比发生变化，如图3.9所示。

图3.9改变占空比仿真图形

当R=600 时，经过调幅电路，通过调节R19和R25，可基本实现输出幅度为3V的要求，如图3.10所示

图3.10 R=600 时经调幅后的仿真图形

经比较两个频率计的读数，频率稳定度为100%，如图3.11和3.12所示

图3.11 正弦波信号输出频率

图3.12 方波信号输出频率

3.4频率计的设计

因为时间紧迫，对于频率的测量使用的是Multisim本身带的频率计，如图3.13是我根据相关教程仿真的10MHZ频率计，不只是软件自身的BUG还是电路本身的问题，对于频率的测量不能精确完成，有待进一步的完善。