信号发生器
函数信号发生器设计
专业:通信工程 姓名:陈庚 学号:1217408003
一、设计题目
波形发生器的设计
二、设计要求及主要技术指标
设计要求:设计并仿真能产生方波和正弦波信号输出的波形发生器。
1、方案论证,确定总体电路原理方框图。
2、单元电路设计,元器件选择。
3、仿真调试及测量结果。
主要技术指标
1、正弦波信号源:信号频率范围20Hz~20kHz 连续可调;频率稳定度较高。信号幅度可以在一定范围内连续可调;
2、各种输出波形幅值均连续可调,方波占空比可调;
3、设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限,还可以进一步测出其输出电压的范围。
三、各部分电路组成及实验原理
1.正弦波输出电路
a.电路组成
正弦波输出电路图
b.电路原理
如图所示为频率可调、幅度可调的正弦波振荡电路。该电路由两级移相电路和一级分线性反相放大器串接而成。移相电路采用集成运算放大器U1A、U2A和RC的组合。由于反相器U3A的相移是180o,所以,两级移相电路也应移相180o,以保证电路振荡所要求的总相移360o的条件。二极管D1、D2在电压较低时动态电阻很大,所以As组成的反相电路增益很高,保证电路的起振。当振荡幅度升高时,D1、D2的动态电阻越来越小,降低了电路的增益,从而使输出幅度得到稳定。由于二极管有较大的死区电压,所以小信号输出时波形有间断,故附加了电阻R2。
电路的振荡频率为。
调节电位器R11和R12可以改变频率。由于移相电路不对振幅产生影响,所以,频率的调节不影响振幅的稳定性。调节R12可使频率变化约为10倍,超过此范围后其调节作用已不明显,这时可通过R11进行调节。该电路的最高频率受运算放大器转移速率和移相电路的限制,为了进一步提高频率,可将与电位器串接的电阻R1短路,这时最高频率可达100kHz以上,但输出幅度较小,而且调节幅度时也会影响频率。调节电位器R13可改变输出幅度。输出的正弦波V1。按图中元件数值,电路的频率可调节范围为300Hz ~15kHz,波形失真小于1%。
关于移相电路
基本原理:
接于电路中的电容和电感均有移相功能,电容的端电压落后于电流90度,电感的端电压超前于电流90度,这就是电容电感移相的结果;
先说电容移相,电容一通电,电路就给电容充电,一开始瞬间充电的电流为最大值,电压趋于0,随着电容充电量增加,电流渐而变小,电压渐而增加,至电容充电结束时,电容充电电流趋于0,电容端电压为电路的最大值,这样就完成了一个充电周期,如果取电容的端电压作为输出,即可得到一个滞后于电流90度的称移相电压;
电感因为有自感自动势总是阻碍电路中变量变化的特性,移相情形正好与电容相反,一接通电路,一个周期开始时电感端电压最大,电流最小,一个周期结束时,端电压最小,电流量大,得到的是一个电压超
前90度的移相效果;
(1).积分电路可用作移相电路
(2). RC移相电路原理
Ui=Ui∠0°
简单的移相电路
其中第一个图
其中第二个图
(3).改进后的移相电路
一般将RC与运放联系起来组成有源的移相电路
图1:0~90°移相 图2:270°~360°移相
图3: 90°~180°移相 图4:180°~270°移相
公式推导:对于图1 对于图2
对于图3: 对于图4:
以上移相电路分别包括了整个360°的四个象限,在应用时还要注意其应用频率和元件参数的关系,参数选得不同,移相的角度就会不同,一般说来,在靠近某移相电路的极限移相角度附近,其元器件的选择是十分困难的。
以上每个电路调节的范围都局限在90°以内,要使其调节的范围增大,可以采用下图所示的电路。
0~180°超前移相 0~180°滞后移相
在这里我们对第一个我们所用的图进行推导。推导过程如下:
另外,可将各移相电路级联,组成0-360度移相电路。
multisim10仿真:
移相电路
RC原理图及仿真结果
关于反向放大电路
基本电路图:
反相比例运算电路
反相比例运算电路波形的观察:
仿真波形
基本原理:
电压放大倍数:
理想运放放大器组成的反相比例运算电路上
图,显然是一个电压并联负反馈电路。在输入信号作用下,根据理想运放虚断的特性有,通过R1的电流I1和通过R3的电流I3相等,即I1=I3。根据虚短的特性,有u+≈u-,则电压放大倍数Au=uo/ui,其中uo为输出电压,ui为输入信号源。所以Au=-R3/R1。 关于死区电压
死区电压也叫开启电压,是应用在不同场合的两个名称。 在二极管正负极间加电压,当电压大于一定的范围时二极管开始导通,这个电压叫开启电压。锗管0.3左右,硅管0.7左右。死区电压是指在二极管应用在具体的电路中时,由于本身的压降,也就是供电电压小于一定的范围时不导通,造成输出波形有残缺,从供电电压经过零点直到输出波形残缺消失的时候,这一段电压就是死区电压,本质上就是二极管的开启电压。
当二极管加上正向电压时,便有正向电流通过。但正向电压很低时,外电场还不能克服PN结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力,此时正向电流很小,二极管呈现很大的电阻。当正向电压超过一定数值(硅管约0.5V,锗管约0.1V)后,二极管电阻变得很小,电流增长很快。这个电压往往称死区电压。
理想二极管:死区电压=0 ,正向压降=0。实际二极管:死区电压为0.5V,正向压降为0.6~0.7V(硅二极管)。锗管死区电压约0.1V,正向压降为0.2~0.3V。
二.方波输出电路
a.电路组成
方波输出电路图
b.基本原理
在正弦波的基础上通过LM339AD比较器稳定输出方波,可通过R15小幅调节占空比,但方波幅值不可调。R15调节范围0/100~~2/100,占空比约为0/100~~50/100之间,通过正弦波发生器中的R13可大幅度调节占空比。
由于比较器输出的方波幅度不可调,我们在其后接一个同向比例放大器,通过R21调节,使方波的幅度在一定范围内连续可调。 关于比较器电路
基本原理:
LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端,用“+”表示,另一个称为反相输入端,用“-
”表示。用作比较两个电压时,
任意一个输入端加一个固定电压做参考电压(也称为门限电平,它可选择LM339输入共模范围的任何一点),另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时,输出管截止,相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时,输出管饱和,相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态,因此,把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管,在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻(称为上拉电阻,选3-15K)。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时,它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外,各比较器的输出端允许连接在一起使用。
关于同向比例放大电路
基本原理图:
同向比例放大电路 如图所示电路中运放的同相输入端接信号vs,反向输入端通过电阻 R1接地,vo与vs同相,根据“虚短”和“虚断”vo
=(1+Rf/R1)vs
四、电路总原理图
总设计电路原理图
五、仿真结果及实验测量结果
1. 当每个变阻器的阻值为50/100时仿真输出波形 正弦波仿真波形
方波仿真波形
2.实验实际测量输出波形
六、通用板焊接原理图
七、实验元器件清单
元器件清单
八、实验数据总结
正弦波频率,连续可调,范围大约在20HZ---23KHZ 正弦波幅度可调,27mV---11.7V之间
方波幅度可调,3V---11V之间
方波占空比可调,0---50%之间连续可调
九、实验调试及实验体会心得
本实验是以两个移相电路产生正弦波,再通过比较器产生方波。可以单独应用,也可以组合运用。
在调试过程中通过改变R11和R12的阻值来改变正弦信号的频率值,通过改变R13来实现反向放大电路的增益,从而改变正
弦信号的幅度值,且频率和幅度之间的改变互不影响。但设计的
缺陷是频率的变化范围还是较小,幅度不能到达比毫伏更小的数量级。想要实现幅度的跨度更大得在正弦信号的输出的后面加一级倍频器、分频器。但是当频率达到一定的时候,就会对电路造成一定的影响。要想实现更小信号的输出,可在其后面加一级衰减器。例如,XD--1低频信号发生器最大信号电压为5V,通过(0-80)dB的步进衰减输出,可以获得500uV的小信号电压。
在方波发生器调试上面通过比较器获得方波信号,但是比较器只能改变方波的占空比,要想改变方波信号的幅度可调需要在方波信号的输出端加一级比例放大电路,实现方波信号幅度的可调。 在焊接成品的过程中,充分的认识到电脑上的仿真与做出实品来的不同。对于以前认为只要在电脑上做出来仿真就算完成设计的思想,得到了充分的否定。焊接电路的同时,不仅锻炼了我们的动手能力,更重要的是我们对自己设计的作品有了更深的理解和体会。往往我们会因为焊接时的一点小小错误而导致我们的作品出不来我们想要的结果,甚至于出不来结果。我在开始实品调试时因为芯片管脚接错而导致芯片烧坏。后来又因为一个地方的地线没有接好而导致电路没有预期的效果。调试的过程对于作品的设计是重要的一个环节。
最后感谢李老师和同学们在设计过程对我极大的支持和帮助!