信号发生器论文

函数信号发生器2函数信号发生器1.概述1.1任务说明1．设计、调试方波、三角波、正弦波发生器2．输出波形：方波、三角波、正弦波3．.频率范围三段：10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz4．正弦波U≈3V，三角波U≈5V，方波U≈14V1.2信号发生器发展现状随着信息科技的发展，在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，这就需要能产生高频信号的振荡器。在电子工程中，常常用到正弦信号，作为信号源的振荡电路，主要的要求是频率准确度高、频率稳定性好、波形失真小和振幅稳定度高等。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火，超声波焊接，超声诊断，核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。可见，正弦波振荡电路在各个科学技术部门的应用是十分广泛的。正弦波振荡电路广泛应用于无线电通讯、广播电视，工业上的高频感应炉、超声波发生器、正弦波信号发生器等。正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号。它的频率范围很广，可以从一赫以下到几百兆以上；输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦；输出的交流电是从电源的直流电转换而来的。1.3信号发生器的分类信号发生器用途广泛、种类繁多，它分为通用信号发生器和专用信号发生器两大类。专用仪器是为某种专用目的而设计制作的，能够提供特殊的测量信号，如调频立体声信号发生器、电视信号发生器等。通用信号发生器应用面广，灵活性好，可以分为以下几类：1、按发生器输出信号波形分类按照输出信号波形的不同，信号发生器大致分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器和随机信号发生器。应用最广泛的是正弦信号发生器。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。函数信号发生器也比较常用，这是因为它不仅可以输出多种波形，而且信号频率范围较宽。脉冲信号发生器主要用来测量脉冲数字电路的工作性能和模拟电路的瞬态响应。随机信号发生器即噪声信号发生器，用来产生实际电路和系统中的模拟噪声信号，借以测量电路的噪声特性。2、按工作频率分类按照工作频率的不同，信号发生器分为超低频、低频、视频、高频、甚高频、超高频信号发生器。3、按调制方式分类按调制方式的不同，信号发生器分为调幅、调频、调相、脉冲调制等类型。31.4信号发生器的用途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。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。在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。在电子测量过程中，信号发生器主要用于：1、侧元件参数。如测量电感、电容及Q值、损耗角等。2、测网络的幅频特性、相频特性等。3、测试接收机的性能。如测接收机的灵敏度、选择性、AGC范围等指标。4、测量网络的瞬态响应。如用方波或窄脉冲激励，测量网络的阶跃响应、冲激响应和时间常数等。5、校准仪表。输出频率、幅度准确的信号，校准仪表的衰减器、增益及刻度等。2.电路设计正弦信号发生器包括低频、高频、甚高频、超高频信号发生器等，低频、高频信号发生器的使用很广泛。2.1低频信号发生器低频信号发生器又称为音频信号发生器，用来产生频率范围为1Hz～1MHz的低频正弦信号、方波信号及其他波形信号。它是一种多功能、宽量程的电子仪器，在低频电路测试中应用比较广泛，还可以为高频信号发生器提供外部调制信号。低频信号发生器的原理方框图如图2-1所示。它主要包括主振器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器和指示电压表等。图2-1低频信号发生器的原理方框图主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。电压输出端的负载能力很弱，只能供给电压，故为电压输出。振荡信号再经功率放大器放大后，才能输出较大的功率。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗，以便获得最大的功率输出。电压表通过开关换接，测量输出电压或输出功率。2.2高频信号发生器4高频信号发生器和甚高频信号发生器统称为高频信号发生器，它们在高频电路测试中应用比较广泛。高频信号发生器通常用来产生200kHz～30MHz的正弦波或调幅波信号，如无特别说明，均特指此种高频信号发生器。甚高频信号发生器用来产生30MHz～300MHz的正弦波、调幅波或调频波信号。高频信号发生器主要包括主振级、调制级、内调制振荡器、输出级、监测器和电源组成。其原理框图如图2-2所示。主振级产生的高频正弦信号，送入调制级用内调制振荡器或外调制输人的音频信号调制，再送到输出级，以保证有一定的输出电平调节范围和恒定的源阻抗。监视器用来侧量输出信号的载波的电平和调幅系数。图2-2高频信号发生器的原理方框图图2-3RC正弦波振荡器电路如图2-3所示，根据设计要求可选择电阻R1，R2均为15k，R4为100k的可调电位器。电容C1和C2为0.22F，D1，D2为1N4001，采用的集成运放为MC4558。R1、C1、R2、C2组成RC串并联网络形成正反馈，运放、R4、R5、D1、D2组成同相比例放大器，D1，D2具有稳幅作用。在此电路中，由RC串、并联网络组成正反馈支路和选频网络，这部分电路决定了电路的振荡频率；由R4、D1、D2和R5组成负反馈支路和稳幅环节。负反馈电路控制运算放大器的增益。反馈过深，不易起振，反馈过小，容易造成波形失真。调节R4为适当值，电路即能起振，输出正弦波，并利用D1、D2的非线性实现稳幅。并联电阻R5有改善二极管非线形引起波形失真的作用。5在实际应用中，常选取文氏电桥两个支路中的R、C相同，当R选用同轴双连电位器，即可以实现振荡频率的连续可调，输出正弦波的频率为:12ofRC2.3方波产生电路2.3.1方波发生器的基本结构与工作原理如图2-4所示的方波发生器电路，其中R2与Rf组成负反馈支路，运放同相端的电压为：电阻R1、Rp和电容C组成运放的正反馈支路。当电容C的端电压VC（等于运放的反向端电压V-）大于V+时，输出电压VO＝VZ（双向稳压管VD的限幅电压），则电容C经电阻R1、Rp放电，VC下降。当VC下降到比V+小时，比较器的输出电压VO=+VZ，电容C又经过电阻R1、Rp充电，电容的端电压VC又开始上升，如此反复，则输出电压VO为周期性方波。方波的频率为11112.ln(12/PffTRRRR调节电路中的Rp可以改变频率。图2-4方波发生器11ofRVVRR62.4三角波产生电路2.4.1三角波发生器的结构与基本工作原理图2-5三角波发生器电路其工作原理如下：当运算放大器开环电压增益足够大时，可认为RCii,其中又由虚短和虚断，得：式中，τ＝RC，称为积分器的时间常数。3.函数信号发生器总电路图与电路仿真3.1函数信号发生器总电路图根据上述独立单元电路的设计，可以设计总的电路图如图3-1所示OCQVVC11CiIdtIdtCC11iiVdtVdtRC7图3-1函数信号发生器总原理图通过看示波器波形，可得出正弦波发生器中电位器调到R4调到50K时开始起振，调大R4则不能起振，而调到40K时波形出现失真，起振是由弱变强的。总电路的频率有R1，C1，R2，C2决定，令R1=R2，C1=C2，12ofRC如图R为15K，C为0.22uF，可算出频率为50Hz,所有可通过减小电容值来增大频率，如C为0.001uF时，频率为10.6kHz，满足要求。3.2函数信号发生器的仿真对总原理图进行仿真，得到正弦波，方波和三角波的波形如下图：100HZ正弦波81KHZ正弦波100HZ方波1KHZ方波9100HZ三角波1KHZ三角波4.用Multisim10电路仿真4.1输出方波电路的仿真用Multisim10电路仿真软件进行仿真。从Multisim10仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，方波输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，将S1开关打到方波信号线档，可得如图4-1所示的输出方波仿真图。10图4-1输出方波电路的仿真4.2三角波电路的仿真方法同输出方波电路的仿真方法，将S1开关打到三角波信号线档即可得图4-2所示的方波转三角波波形仿真图。图4-2输出三角波电路的仿真4.3正弦波电路的仿真方法同输出方波电路的仿真方法，将S1开关打到正弦波信号线档即可得图4-3所示的正弦波波形仿真图。11图4-3输出正弦波电路的仿真函数信号发生器电路的实验的结果类别输出电压输出频率设计值实际值设计值实际值正弦波0～1.5V0～1.4V10HZ～10kHZ62HZ～10.3kHZ方波0～7V0～7.2V10HZ～10kHZ62HZ～10.3kHZ三角波0～2.5V0～2.1V10HZ～10kHZ62HZ～10.3kHZ5.结束语在这期间的学习、设计、及电路搭建过程中使我学到很多。让我对抽象的理论有了具体的认识。通过对函数信号发生器的设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的连接、搭建方法；以及如何提高电路的性能等等。通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。