2022年长安大学电工课程设计之低频信号发生器 .pdf

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1、1 电工与电子技术课程设计课题名称函数信号发生器学院(部)汽车学院班级22010905 姓名王昕学号 2201090513 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 11 页 -2 一、任务和要求1、设计并制作能产生正弦波、矩形波（占空比可调）和锯齿波等多种信号的函数信号发生器。2、主要技术指标和要求（1）输出的各种信号波形工作频率范围10Hz10kHz，连续可调。（2）输出的各种信号波形幅值010V，连续可调。二、摘要在生产实践中，广泛的采用各种信号，就其波形来说，可能用到正弦波和非正弦波，相应的，就会用到不同的信号产生电路，而不同波形的信号，又会相互转换。信号发生器一般

2、能自动产生正弦波、三角波、方波、锯齿波等波形的仪器，故可在设计时先在电路中产生一种信号，然后再通过波形变换使电路能输出其它波形，故能设计许多电路来实现目的。在设计时，应考虑多种情况（如外界干扰、内部因素）设计一种在现实应用中性能良好，又廉价实用的方案。本方案就是利用这种思想设计出的一个低频函数信号发生器。三、总体设计方案选择及论证1信号产生电路方案一由文氏电桥产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可得三角波。这一方案为一开环电路，结构简单，产生的正弦波和方波的波形失真较小。但是对于三角波的产生则有一定的麻烦，因为题目要求有 10 倍的频率覆盖系数，然而对于积分器的输入输出关系为：dtv

3、RCdtiCvio11文氏电桥正弦波比较器积分器方波三角波名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 11 页 -3 显然对于 10 倍的频率变化会有积分时间dt 的 10 倍变化从而导致输出电压振幅的 10 倍变化。而这是电路所不希望的。幅度稳定性难以达到要求。而且通过仿真实验会发现积分器极易产生失调。方案二由矩形波产生电路产生矩形波，在通过积分电路把矩形波转换为锯齿波，再经过差动放大电路将锯齿波转换为正弦波。该电路的优点是十分明显的：线性良好、稳定性好；频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便地连续地改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；不存在如文氏电桥那样的过渡过

4、程，接通电源后会立即产生稳定的波形；三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。综合上述分析，我们采用了第二种方案来产生信号。下面将分析讨论对生成的三角波和方波变换为正弦波的方法。2信号变换电路三角波变为正弦波的方法有多种，但总的看来可以分为两类：一种是通过滤波器进行“频域”处理，另一种则是通过非线性元件或电路作折线近似变换“时域”处理。具体有以下几种方案：方案一采用米勒积分法。设三角波的峰值为PV，三角波的傅立叶级数展开：tSinkkSinktSintSintSinVtVP2155133182222通过线性积分后：CRtCoskkSinktCostCostCosVtVP1215

5、5133183222显见滤波式的优点是不太受输入三角波电平变动的影响，其缺点是输出正弦波幅度会随频率一起变化（随频率的升高而衰减），这对于我们要求的10 倍的频率覆盖系数是不合适的。另外我们在仿真时还发现，这种积分滤波电路存在这较明显的失调，这种失调使输出信号的直流电平不断向某一方向变化。矩形波产生电路矩形波积分电路锯齿波差 动 放大电路正弦波名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 11 页 -4 积分滤波法的失调图（Protel 99 SE SIM99仿真）而且输出存在直流分量。方案二才用二极管电阻转换网络折线逼近法。十分明显，用折线逼近正弦波时，如果增多折线的段数，则

6、逼近的精度会增高，但是实际的二极管不是理想开关，存在导通阈值问题，故不可盲目的增加分段数；在所选的折线段数一定的情况下，转折电的位置的选择也影响逼近的精度。凭直观可以判知，在正弦波变化较快的区段，转折点应选择的密一些；而变化缓慢的区段应选的稀疏一些。二极管电阻网络折线逼近电路对于集成化来说是比较简单，但要采用分立元件打接则会用到数十个器件，而且为了达到较高的精度所有处于对称位置的电阻和二极管的正向导通电阻都应匹配。实现起来不是很方便的。另外折线逼近电路的原理是应用电路传输的非线性，故作用于变换电路的输入信号的幅度必须是固定的。而且这个转换网络还有输出阻抗高的缺点。名师资料总结-精品资料欢迎下载

7、-名师精心整理-第 4 页，共 11 页 -5 二极管电阻转换网络图方案三利用差分放大器的差模传输特性。设差放的集电极电流分别为1Ci和2Ci，输入差模电压为IDv,发射极电流为EEI,则晶体三极管工作在放大区时有：TIDVvEECeIi11TIDVvEECeIi12由下图的传输特性曲线我们可以想象当输入为三角波时输出会得到近似的正弦波。差放差模传输特性曲线图（Protel 99 SE SIM99仿真）这种转换方式比较简单，而且频带很宽。四、设计方案的原理框图、总体电路图、接线图及说明单元电路设计、主要原器件选择与电路参数计算1单元电路设计（1）矩形波发生电路名师资料总结-精品资料欢迎下载-名

8、师精心整理-第 5 页，共 11 页 -6 图 1 如图一所示，利用二极管的单向导电性使电容的充电与放电回路不同，使电容的充电与放电时间常数不相等，从而使矩形波的高电平持续时间与低电平持续时间不相等。电源刚接通时，uo=+Uz，所以 Up=R1Uz/(R+R1)=Kuz,电容 C1 充电，uc 升高.当uc=UnUp 时，uo=-Uz，所以 Up=-R1Uz/(R+R1)=-KUz，电容 C1 放电并反向充电，Uc 下降。当uo=UnUp 时，uo=+Uz，电容 C1 充电，重复上述过程。当输出电压为高电平时，二极管D1 导通，D2 截止，电容 C1 被充电，C1 的充电常数为1=（Rw+rd

9、1+R）C1 当输出电压为低电平时，二极管D1截止，D2导通，电容 C1开始放电，C1的放电时间常数为2+（R总-Rw+rd2+R）C1 矩形波振荡周期为 T1=(1+2)ln(1+2R1/R2)=(R总+rd1+rd2+2R)C1ln(1+2R1/R2)调节电位器 Rw滑动端的位置，矩形波的周期不变，但占空比会发生变化。由上式可知：R 总、rd1、rd2、R 为定值，因此可固定R1 和 C1 的值，通过改变R2 的阻值来改变矩形波的振荡频率。计算：设定 R 总=20K、R=1K、C1=4uF、R1=1K 由于设计要求输出的信号波形工作频率范围为10Hz10kHz 通过计算 R2 的阻值变化范

10、围应为1K20M，连续可调。（2）锯齿波发生电路图 2 如图 2 所示，若 t=0，uc=0，uo1=+Uz，则电容 C2 充电；同时 uo 按线性逐渐下名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 11 页 -7 降，最终从+Uz 跳变为-Uz。在uo1=-Uz 后，电容 C2 开始放电，uo 按线性上升，最终从-Uz 跳变为+Uz，电容 C2 开始充电，如此周而复始，产生振荡。积分器的输出 Uo2 为Uo2=-1/(R4+R5)C2Uo1dt(1)Uo1=+12V 时，Uo2=-12t/(R4+R5)C2(2)Uo1=-12V 时，Uo2=12t/(R4+R5)C2(3)可

11、见积分器的输入为矩形波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的锯齿波。频率f=R2/4R1(R4+R5)C2 计算：R4=5.1K、C2=3.5uF、R1=1K 通过计算可得 R5 的阻值变化范围应为035M（3）正弦波发生电路图 3 如图 3 所示，锯齿波到正弦波的变换电路主要由差动放大电路来完成。差动放大器具有工作点稳定，输入阻值高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移。波形变换的原理是利用差动放大传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的表达式为Ic1=Ie1=Io/(1+e Ic2=Ie2=Io/(1+e 式中=Ic/Ie 1；Io差动放大器的恒定电流

12、；Ut温度的电压当量，当室温为25时，Ut26mA。又因为 Uid 为三角波，设表达式为 Uid=4Um(t-T/4)/T,0t T/2 Uid=-4Um(t-3T/4)/T,T/2t T 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 11 页 -8 式中 Um 三角波幅度；T三角波的周期。则 Ic1=Io/(1+e 0t T/2 Ic2=Io/(1+e T/2t T 2.设计方案的原理框图矩形波发积分电路差动放大电路生电路3.总体电路图总体波形如下：4.主要元器件的选择该电路主要由 LM301集成运算放大器构成，这款运放具有较高的速度，虽然价格比 LM324略高，但是性能是

13、LM324所无法比拟的。其中两个调节电位器采名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 11 页 -9 用多圈线绕电位器，可以达到令人满意的 调 节 效果。元器件清单名称标号规格运放A1、A2 Default741 电容C1 4uF C2 3.5uF C3 470uF C4、C5 470uF C 0.1uF 二极管D1、D2 1N4148 稳压管DW1、DW2 1N4733l 三极管Q1、Q2 2N3904 Q3、Q4 2N2222 电阻R、R1、R3、R6 1K R4 5.1K R7 10k R5、Rc、Rc1 30K Re、Re1 2K R9、R10 6.8K Ra 8K

14、 可变电阻 R2、Rw、R0 20K、20K、100 名称标号规格电阻R8 47K 直流电源V1、V2、V3、V4、V5、V6 12V 五、收获与体会、存在的问题1收获与体会通过这次课程设计使我对所需的三部分电路有了进一步的了解和认识，并且清楚了每一部分工作时所需要的条件，也对集成芯片有了初步的认识，虽然在设计中没有使用复杂的芯片，不过还是了解到了像555、8038 等芯片的基本知识。对于完成仿真的软件，EWB 没有 Multisim 功能强大，很多元器件都不齐全。这是第一次靠自己去查资料完成的任务，充分的利用了图书馆的资源，并且为以后名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，

15、共 11 页 -10 更复杂的设计打下了基础。2存在的问题在设计中，对各元器件型号的选择还很陌生，无法很顺利地把书中所学电路知识灵活的运用到设计中，尤其是在仿真部分，设计进展的很缓慢。另外，在完成仿真电路时，无法处理由于元器件参数问题引起的波形失真问题。对于参数大小及相互之间的关系掌握不够完整，不够全面。六、参考文献1 电路与模拟电子技术基础.林涛 林薇 顾樱华 编 2004年 6 月 科学出版社2.模拟电子技术基础与应用实例戈素贞 杜群羊 吴海青 等编著 2007年 2月 北京航空航天大学出版社3.电子技术试验与课程设计指导模拟电路分册郭永贞 刘勤编 2004 年 10月 东南大学出版社4.

16、模拟电子技术基础设计 仿真 编程与实践李万臣主编2005 年 5 月 哈尔滨工程大学出版社5.电子电路计算机仿真技术周常森编著2001年 9 月 山东科学技术出版社6.电子元器件选用使用检测一本通孟贵华编著2006年 2 月 中国电力出版社7谢沅清解月珍 编 通信电子电路 2000年 2 月 北京邮电出版社8梁恩主梁恩维 著Protel 99SE电路设计于仿真应用 2000年 11 月 清华大学出版社9刘志军编电子测量与模拟电路实验技术2001年 4 月10 实用电子电路手册（模拟电路分册）编写组编 实用电子电路手册（模拟电路分册）1991年 10 月高等教育出版社11Protel World Wide Web Site http:/ 12National World Wide Web Site http:/ 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 11 页 -11 七、评语教师：年月日名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 11 页 -