超低频可调正弦信号发生器

辽宁工业大学模拟电子技术基础课程设计（论文）题目：超低频可调正弦信号发生器院（系）：电气工程学院专业班级：**班学号：120******学生姓名：指导教师：（签字）起止时间：2014.6.30-2014.7.11本科生课程设计（论文）III课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院教研室：电子信息工程注：成绩：平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算学号120******学生姓名知名不具专业班级*****班课程设计（论文）题目超低频可调正弦信号发生器课程设计（论文）任务设计参数：（1）设计并制作一台超低频可调正弦信号发生器。（2）线性失真度不大于0.5%。（3）最低频率1HZ。设计要求：1.分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2.确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3.设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划第1天：集中学习；第2天：收集资料；第3天：方案论证；第4天：选择器件进行单元电路设计；第5天：单元电路设计及仿真；第6天：整体电路设计并仿真；第7天：电路焊接制板；第8天：焊接调试；第9天：完善设计；第10天：答辩。指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日本科生课程设计（论文）IV摘要信号发生器信号源输出各种电子信号仪器主要用调试、测试电子电路、电子设备参数标准信号发生器主要输出高精度、高质量正弦信号尤其输出信噪比高微弱信号；函数发生器输出各种常用波形正弦波、锯齿波、方波等精度标准信号发生器；脉冲信号发生器输出各种标准脉冲波形；智能化频率合成器输出任意波形。正弦波振荡电路就是一个没有信号输入，但有信号输出的正反馈放大电路。本设计采用正弦波振荡电路配合RC选频网络产生并输出稳定的超低频可调正弦波信号。改变选频网络的电阻或者电容就可以改变输出频率，使其可以满足对频率有不同要求的电路，可大大应用于实际生活中，经仿真实验验证本设计输出频率在1~300赫兹之间可连续可调，输出采用可调电阻分级衰减输出。输出电压在0~10V（±1V）之间可调。波形无明显失真，系统整体性能良好。满足设计要求。关键词：超低频;可调;正弦波本科生课程设计（论文）V目录第1章绪论..........................................................11.1函数信号发生器概况...........................................11.2本文研究内容.................................................2第2章超低频可调正弦信号发生器电路设计..............................32.1超低频可调正弦信号发生器总体设计方案.........................32.2具体电路设计.................................................42.2.1RC振荡选频电路设计.....................................42.2.2电压放大电路设计........................................52.2.3输出及直流稳压电源电路设计..............................62.3元器件型号选择...............................................72.4EWB仿真、数据分析............................................9第3章课程设计总结.................................................11参考文献............................................................12元器件清单..........................................................13本科生课程设计（论文）1第1章绪论1.1函数信号发生器概况信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，信号发生器是用于产生测试信号的仪器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。这是因为产生正弦信号的方法比较简单，而且用正弦信号测量比较方便。正弦信号源又可以根据工作频率范围的不同划分为若干种。正弦信号源在实验室和电子工程设计中有着十分重要的作用，而传统的正弦信号源根据实际需要一般价格昂贵，低频输出时性能不好且不便于自动调节，工程实用性较差，本设计以较低的成本制作超低频可调正弦信号发生器。现在利用集成技术和单片机技术以及石英晶体可以准确产生各种频率的信号。本科生课程设计（论文）21.2本文研究内容本设计要求：（1）设计并制作一台超低频可调正弦信号发生器。（2）线性失真度不大于0.5%。（3）最低频率1HZ。具体性能指标：①非线性失真设计要求输出波形十分接近正弦波，不能有明显的波形不符，失真度不能大于0.5％。②频率要求本设计要求设计出超低频正弦信号，经查阅相关资料得知，超低频信号范围为30~300赫兹，而本设计要求最低频率为1赫兹。因而设计出信号频率范围是1~300赫兹，并且在此范围内频率连续可调。③输出要求本设计预定输出为0~10V可调电压.。设计具体内容首先对设计要求做进一步分析，明确设计所达到的目的即产生超低频可调正弦信号。预确定设计方案，进行方案可行性论证，进行方案对比，确立最终设计方案。构建整体设计思路，并作出方案框图。结合实际电子元器件进行再次方案修正。对整体电路进行拆分，分成相对独立的单元电路，振荡信号产生电路，电压放大电路，输出衰减电路，简化设计。进行局部单元电路设计，分别对其进行实际计算和实验仿真，明确单元电路性能指标。整体电路组装调试，multisim仿真实测。在实测的基础上，进行实物电路焊接，完成设计报告。本科生课程设计（论文）3第2章电路设计2.1超低频可调正弦信号发生器总体设计方案方案一设计采用三点式LC振荡电路，电路由晶体管，电阻，电容以及高频扼流圈组成，直流电源接高频扼流圈再接晶体管集电极是为了避免电源对振荡回路的高频信号短路，在小功率电路设计中可用电阻代替。三点式振荡电路由于反馈电压取自电感上，而电感对高次谐波阻抗大，故引起振荡回路输出谐波分量增大，输出波形不理想，三点式电路连接复杂，需要高频扼流圈并且输出频率也比较大。方案二本设计采用RC串并联网络进行选频，利用μA741运算放大器以及负反馈网络组成振荡信号产生电路。振荡产生电路可以产生包含多种频率的正弦信号，选频网络对由振荡电路产生的高带宽的频率进行选择，选频后经过电压放大电路进行二级放大信号，最后输出稳定的而且可以带负载的可调正弦波。直流稳压电源为±12V，对需要直流偏置的电器元件进行供电。此方案电路简洁，无需复杂电路元件，可控性也比较理想。综上对比，在经济以及电路简单安全性方面考虑，选择方案二作为本设计的最终设计方案，具体设计如下图2.1整体电路框图电压放大电路RC振荡电路输出直流稳压电源选频网络本科生课程设计（论文）42.2具体电路设计2.2.1RC振荡选频电路设计RC振荡选频网络由运放（μA741）构成的基本放大电路，选频网络，以及反馈网络组成。其电路图2.2如下正弦波发生电路能产生一定频率和幅度的正弦交流信号，它是一种能将直流电源能量自行转换为交流振荡能量的电路。在某些电路中，输入端不外接信号而其输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象称为自激振荡。所以在这种电路中，自激振荡正是所需要的。因此为了使振荡器在接通电源后能自行起振,要求电路开始工作时环路增益必须满足下面的起振条件AF1,在振荡建立的过程中，随着振幅不断增大，电路中的非线性元器件特性的限制，使得AF值逐渐下降，最后达到AF=1，即进入稳定的振荡过程。图中，R2，R3构成反馈网络，当满足𝑅2≥2𝑅3时，电路即可振荡起来。𝑅4,𝑅5和𝐶1,𝐶2构成选频电桥，并且𝑅4=𝑅5，𝐶1=𝐶2，此时即可以选择特定频率输出。选择不同的阻值电阻和不同容量的电容可以改变不同的输出频率，在电阻𝑅2两端并联的一对稳压二极管𝐷1,𝐷2.。由于稳压管的稳压特性，使𝑅2两端导通电压保持不变，这样就可以稳定输出电压。其频率特性为：图2.2RC振荡选频网络本科生课程设计（论文）5f0=12πRC并且𝐹Vmax=13𝜑𝑓=0反馈电路电压增益为𝐴𝑣=𝑅2𝑅3+1刚刚起振时确保𝐴𝑣大于3，振荡稳定后约为3。2.2.2电压放大电路设计由于产生的正弦波幅度已经较大，所以不再采用晶体管放大电路，用同相运算放大器进行信号放大，其设计电路图如下图2.3所示。前级信号由𝑅12输入运算放大器3引脚，经负反馈放大，其电压增益为𝐴𝑣=𝑅10𝑅11+1=35.1+1=1.6。μA741运放7,4引脚用±15直流电源进行供电。使其确保输出电压波形不失真。电压放大后由运放6引脚输出。图2.3电压放大电路本科生课程设计（论文）62.2.3输出及直流稳压电源电路设计本设计要求输出电压可调，因而输出要接可调分压电阻来实现电压可调。可具体用下图2.4来表示。上图2.4利用电阻和电位器分压式衰减将输出分为两个量程𝑣𝑂1和𝑣𝑂2。，根据不同的电压需要范围选择合适的量程。量程分别为0~3V，3~10V，并且可连续调节。直流稳压电源设计如下图2.5所示。图2.5直流稳压电压图2.4输出级𝑉𝑂1𝑉𝑂2本科生课程设计（论文）7利用LM7815和LM7915设计±15V直流稳压电源，可稳定输出±15V电压。此单元电路将两个电路合并为一个电路设计，进一步简化了设计，节省了器件。超低频可调正弦信号发生器整体电路图设计如下图2.6所示2.3元器件型号选择1.运算放大器选择μA741。主要技术参数为：输入失调电压：U≤1.0Mv输入失调电流：I≤20nA输入基极电流：𝐼𝐼𝐵≤80nA最大输出电压幅度：𝑈𝑂𝑃𝑃=±14V电源电压：±15V其接线图下图2.7所示图2.6超低频可调正弦信号发生器整体图本科生课程设计（论文）8其集成引脚图如图2.8所示2.二极管选用1N4001型稳压二极管。其反向峰值电压为50V，耐压能力比较大。最大正想导通压降为1.1V，具有很好的稳幅作用。故选用其作为稳压二极管。3.电阻，电容其他电子元器元件根据实际电路，选频，放大需要调节适合的大小。4.设计选频网络采用改变电阻方式来调节输出频率，调节滑线变阻器来改变电路的电阻比较容易，而且可连续调节，