信号发生器设计报告.docx

信号发生器设计报告 1、实验任务与要求 设计一个信号发生器，独立完成系统设计，要求能实现以下功能： （1）能产生方波、三角波、正弦波 （2）能实现频率可调 2、实验目的： （1）进一步巩固熟悉简易信号发生器的电路结构及电路原理并了解波形的转变方法； （2）学会用简单的元器件及芯片制作简单的函数信号发生器，锻炼动手能力； （3）学会调试电路并根据结果分析影响实验结果的各种可能的因素 3、设计方案论证： 信号发生器一般由一个电路产生方波或者正弦波，通过波形变换得到其他几种波形。考虑到RC 震荡产生正弦波的频率调节不方便且可调频率范围较窄，本设计采用先产生方波，后变换得到其他几种波形的设计思路。 采用555组成的多谐振荡器可以在接通电源后自行产生矩形波，再通过积分电路将矩形波转变为三角波，再经积分网络转变为正弦波。 波形转变框架图 思路 积分器（低通滤波） 积分器波 4整体电路设计和分析计算 555定时器接成多谐振荡器工作形式产生方波 （1）555定时器芯片工作原理,功能及应用 555定时器是一种数字电路与模拟电路相结合的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳态触发器和多谐振荡器等，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 555定时器产品有TTL 型和CMOS 型两类。TTL 型产品型号的最后三位都是555，CMOS 型产品的最后四位都是7555，它们的逻辑功能和外部引线排列完全相同。 555定时器的电路如图9-28所示。它由三个阻值为5k ?的电阻组成的分压器、两个电压比较器C1和C2、基本RS 触发器、放电晶体管T 、与非门和反相器组成。 多谐振荡器 方波 三角波 正弦 波 555定时器原理图 分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空（也可对地接上0.01uF 左右的滤波电容），则比较器C1的参考电压为2 Vcc 3 ，加在同相端；C2的参考电压为Vcc 3 ， 加在反相端。 u11是比较器C1的信号输入端，称为阈值输入端；u12是比较器C2的信号输入端，称为触发输入端。 RD 是直接复位输入端。当RD 为低电平时，基本RS 触发器被置0，晶体管T 导通，输出端u0为低电平。 u11和u12分别为6端和2端的输入电压。当u11>2 Vcc 3 ，u12>Vcc 3 时，C1输出为低 电平，C2输出为高电平，基本RS 触发器被置0，晶体管T 导通，输出端u0为低电平。 当u11 2 Vcc 3 Vcc 3 > Vcc 3 1 1 1 0 1 0 不变 导通 截止 导通 不变 （2）用555定时器组成的多谐振荡器如下图所示 接通电源后，电容C2被充电，当V c 上升到2 Vcc 3 时， 使V0为低电平放电三极管T 导通，此时电容C2通过R3.R7.T 放电，V c 下降。当V c 下降到Vcc 3 时，V0翻转为高电平。 放电结束时，T 截止，Vcc 通过R2R3RPC2向电容C2充电，当V c 从Vcc 3 上升到2 Vcc 3 时，电路又翻转为 低电平。如此周而复始，在输出端得到一个周期性的矩形波。 波形图大致如下 电容C2放电所需的时间为： Tpl=(R3+RP )C22 1-1 电容C2充电所需的时间为： Tph=(R3+R2+RP )C22 1-2 占空比= Tph Tpl +Tph 1-3 振荡频率f = 1 （Tpl +Tph ） 1-4 积分电路产生三角波 电路的时间常数R*C ，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须要大于或等于10倍于输入波形的 宽度。 Uo=Uc=(1/C)icdt,因Ui=UR+Uo,当t=to时，Uc=Oo.随后C充电，由于RCTk,充电很慢，所以认为Ui=UR=Ric,即ic=Ui/R,故 Uo=(1/c)icdt=(1/RC)Uidt 这就是输出Uo正比于输入Ui的积分（Uidt） RC电路的积分条件：RCTk 当输入信号为方波时，积分电路的输出为三角波 RC低通滤波器 1、电路的组成 所谓的低通滤波器就是允许低频信号通过，而将高频信号衰减的电路，RC 低通滤波器电路的组成如图所示。 三角波可以分解成由无数不同频率的正弦波组成的复合波。当输入信号为三角波时，用低通滤波器将其高频成分滤掉后，波形将不再有尖顶部分，波形变得圆滑，从而变成类正弦波。 波形大致如下 图中的相位移动是由于RC网络成感性引起的。 2、电压放大倍数 令，则 R C低通电路的频响特性 的模和幅角为RC低通电路的幅频特性 RC低通电路的相频特性 5电路仿真分析 由上面分析可以做出如上图所示的电路原理图 上图中发光二极管支路为电源指示支路，二极管正常发光，说明电路供电正常；C1滤 掉电源中的交流不稳定成分；C4为隔直电容，滤掉多谐振荡器中输出中的直流成分；R4与C5组成积分电路，将方波变成三角波；然后经过两级滤波将三角波高频分量去除，变成类正弦波输出。 6电路安装与调试 Multisim仿真电路图如下 仿真波形图 上图从上到下为方波、三角波、一次滤波输出、二次滤波输出。 一次滤波和二次滤波的输出均为类正弦波，不考虑干扰情况下，二次输出的波形由于滤掉了更多的高频分量，理论上更接近正弦波。 Multisim仿真结果 RP=0%时 仿真波形周期峰峰值 矩形波 1.272ms 4.998v 三角波 1.272ms 333.147mv 一次滤波的正弦波 1.272ms 48.983mv 二次滤波的正弦波 1.272ms 9.854mv RP=100%时 仿真波形周期峰峰值 矩形波969.828us 5.008v 三角波969.828us 255.533mv 一次滤波的正弦波969.828us 30.351mv 二次滤波的正弦波969.828us 4.802mv 7实验结果和误差分析 实物测量的结果如下： RP=0%时 仿真波形周期峰峰值 矩形波250us*6=1.5ms 3.4v 三角波 1.5ms 300mv 一次滤波的正弦波 1.5ms 68mv 二次滤波的正弦波 1.5ms 8mv RP=100%时 仿真波形周期峰峰值 矩形波250*3.2=800us 3.4v 三角波800us 170mv 一次滤波的正弦波800us 32mv 二次滤波的正弦波800us 3mv 误差分析： 1.测量时直流电源引起的误差 在MULTISIM仿真过程中，直流电源VCC接的是5V，而实际中的电源并不是准确的+5v。 2.元器件误差 在购买元器件时，没买到62K电阻和20K电位器，用68K电阻和47K的电位器代替，从理论上讲，这样的调整会加大频率的可调范围。 在MULTISIM上仿真时，各种元器件的值都是按标准值计算的，而在实际的测量中，各种元器件的值都与标准值有出入。 3.焊接时导线引起的误差 在电路焊接的过程中，焊点、导线等也存在着不可避免的误差 4.测量是各种仪器仪表引起的误差 5.人为误差 缺陷：在实验测量波形图发现测得的正弦波很不明显，波形频率的可调范围小，误差较大。 正弦波不明显的可能原因：因为此电路中的正弦波是从三角波经低通滤波器而来，由傅里叶变换将三角波转变为直流及正弦波各次谐波的形式经过R5.C6组成的低通滤波器输出来，可能含有多次谐波，使所得的正弦波失真，所以要改善正弦波，可以考虑改电容的大小使其他谐波的影响降低。 波形频率的可调范围小的原因:在本实验的电路图中电位器RP的最大值是20K，而R2有 62K所以波形的频率为f= f=1 （Tpl +Tph ） 1.43 (R2+2R3+2RP)C2 由该式子可知RP对整 个电路的频率影响不大，所以要想扩大频率范围可以尝试加大RP的阻值。 误差较大的原因：根据上述实验误差分析最后输出的波形应是每阶段误差的叠加，要减少误差，应该采用比较精确的仪器，而且本实验的设计也存在不妥之处，用三角波积分转变为正弦波在理想状态下也是一个近似值，而在实验过程中存在很多的干扰及试验中的累积性误差，是得到的波形存在较大的失真。还有很多影响的因素在实验之前没有考虑到。 8实验总结 本次试验的最终结果，是由多次调整得到的，在实践中，出现过以下问题： 1）第一次测量时，没能出现任何波形，所有的输出均为直线。最初判定原因为555芯片是坏的，因为只要芯片能正常工作，就不可能没有任何波形。但经过更换芯片后，仍然没有波形，说明电路焊接过程出现问题。后经过对照电路图发现，原因为555芯片的7脚没有连接到电路中，致使芯片电路无法对电容C2进行正常的充放电，使电路无法产生波形。现对555芯片7脚作用做一下简要介绍： 555芯片的多谐震荡电路要根据6引脚及2引脚上电压的大小,来决定3引脚输出高电平还是低电平。输出有高低变化,7引脚就有个对地截止和导通的变化. 当对地导通时,是放电。 6引脚和2引脚的的电压高低,与电容上的电压大小有关,电容上的电压,是VCC给他充的电压,如果电容C上的电压不变化,输出就不会有高和低的变化. 所以电容上的电压要由VCC充电,和7引脚对地放电,才会有输出端的高低电平输出。 2）在这个电路中，最初的设计只有一个正弦波输出端，也就是第二级滤波输出。但在实际测量中发现，这一级的滤波输出幅值相当之小，而且干扰很大，使波形很不清晰。 为解决干扰问题，首先想到的是滤掉高频干扰波，但是又示波器显示波形的干扰幅值较大，且频率与信号波形的差别并不是特别大。采用一般的如RC滤波的方法不仅不能有效滤波，还可能引入新的干扰，因为滤波级数越多，引入干扰的可能性越大，干扰可能越严重。考虑到这点，便想到了第一级的输出波形，经过测量，第一级的类正弦波波形清晰，干扰相对较小，但是与标准的正弦波波形的形状差别相对更大，有相对更大的失真。从这里也可以看出，滤波级数越多，信号衰减越严重，而且干扰越明显，但是信号形状更接近正弦波；滤 波级数越少，干扰越小，信号的强度也相对较大，但是有形状失真。两种方式都难以摆脱失真，无法得到想要的波形。 以上考虑说明，采用RC滤波在实际操作中存在着很难避免的问题，所以想到了更换实验原理。不采用RC滤波产生正弦波。在资料中查到了如下电路图 本电路可以将三角波转变成正弦波，其原理并未能弄透彻，仍然存在诸多疑点，如信号如何输入，在哪里取出，没有电容是不可能得到平滑正弦曲线的，这个电容要用多大，放在那个位置等，而且没能查到相关资料，所以未能付诸实施。 3）本电路未能进行方波占空比的调节，乃是设计指出就没考虑到这个指标。现可对其进行一下改进，使其占空比可调。在7脚与2脚之间接入一个电位器，利用二极管的单向导电性来改变电容C2的充放电时间常数R*C,从而改变占空比。调整后电路图及其电位器在100%时的波形图如下： 本波形图中，可以看出每隔四个周期，便会出现一个异常波形，原因是什么未能搞明白。还望老师能帮助解决。