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....................................................11.1任务.........................................................11.2要求.........................................................1第2章总体方案设计..................................................22.1本设计总体方案...............................................22.2正弦波信号生成方案...........................................22.2.1振荡信号的生成方法.....................................32.2.2RC振荡原理与振荡条件...................................32.2.3振荡电路的稳幅方法.....................................52.3频率步进方案.................................................6第3章电路设计和仿真分析............................................83.1RC振荡与稳幅电路设计.........................................83.1.1电路参数计算...........................................83.1.2电路仿真与分析........................................103.2正弦波调幅电路设计..........................................113.2.1电路参数计算..........................................113.2.2电路仿真与分析........................................123.3脉冲波生成电路设计..........................................133.3.1电路参数计算..........................................133.3.2电路仿真与分析........................................143.4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Ⅱ10MHZ频率计.................................................231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5Hz②频率稳定度：优于10-4③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5Hz②上升时间和下降时间：≤1μs③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。2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、信号频率产生单元三角波正弦波方波振荡电路稳幅电路正弦波调幅电路电压比较电路脉冲调幅电路正弦波脉冲波频率产生单元正弦波方波3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。2.2.2RC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。4可见,当ω=ω0=1/RC时，fUoU达到最大值且等于1/3,而相移φ=0，输出电压与输入电压同相，所以RC串并联网络具有选频作用，此时输出电压频率为RCfo21（2-1）图2.4RC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）FA1FA1FA1FA1FA52.2.3振荡电路的稳幅方法1）热敏电阻稳幅RC桥式振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻Rf实现的。Rf是负温度系数热敏电阻，当输出电压升高，Rf上所加的电压升高，即温度升高，Rf的阻值减小，负反馈增强，输出幅度下降，反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在R1的位置。若该电路Rf为一固定电阻,放大器Au为常数。起振时：则要求3A振荡平衡：则要求3A，只有当运算放大器进入非线性工作区才能使增益下降达到平衡条件,从而产生严重失真现象。②若该电路RF为一负温度系数的热敏电阻起振时：由于信号较弱，热敏电阻RF处于冷态,阻值比较大，放大器Au值较大满足3A，很快振荡建立。振荡平衡：随信号增强,热敏电阻RF温度升高,阻值减小，放大器Au值自动下降,在运算放大器还末进入非线性工作区时,达到平衡条件3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，AF1，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。△∞＋－＋RfRCCRuoR1VD1VD2(a)电路IUOABDC(b)稳幅原理62.3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0.1F、0.01F、0.001F，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RCf210（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(2121ffCR（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。表2-1频率变化与电容、电阻的关系频率范围频率（Hz）电阻R（）频率增加5Hz时电阻的变化（）C=0.1F频率：20～200Hz2080K15.924K5031.85K2.9K10015.924K7602007.962K204频率范围频率（Hz）电阻R（）频率增加5Hz时电阻的变化（）C=0.01F频率：200～2KHz20080K1.942K50031.85K3151K15.924K802K7.962K20频率范围频率（Hz）电阻R（）频率增加5Hz时电阻的变化（）C=0.001F频率：2K～20KHz2K80K1985K31.85K3210K15.924K820K7.962K2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，小到几，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的双联电位器，再逐级调节10K、1K、100、207的电位器，这样可实现频率5Hz步进。8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。9图3.1RC振荡电路R115.1k?R1