多功能函数发生器.doc
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1、毕业设计(论文)专 业 班 次 姓 名 指导老师 成都电子机械高等专科学校二0一 年 多功能函数信号发生器的仿真设计摘要:本文函数信号发生器的设计以555定时器组成的多谐振荡器为核心。主要思路是多谐振荡器在接通电源后能自行产生矩形波,方波通过积分电路将转变为三角波,三角波再经积分网络转变为正弦波,通过调节电路中相关电阻电容值可以改变占空比等波形参数,最终得到较好的波形。总电路使用软件MultiSim进行仿真,通过软件自带示波器观察最后所得到的波形,并通过失真分析仪研究波形失真度。关键词:函数信号发生器;多谐振荡器;MultiSim目 录第1章 绪论.11.1 课题背景.11.2 国内外现状.1
2、1.3 含义及作用意义.11.4 本文函数信号发生器主要参数.2第2章 波形失真研究.32.1 失真的定义. .32.2 失真分析方法. .32.3 失真测量方法. .32.4 失真测量中的几个问题. .4第3章 电路原理及主要电路和元器件介绍.53.1 电路原理. .53.2 发生器总电路图.53.3 多谐振荡器电路及555芯片介绍.53.3.1 多谐振荡器电路介绍.53.3.2 555芯片介绍.63.4 积分电路及其原理.9第4章 MultiSim介绍.114.1 MultiSim简介.114.2 MultiSim操作环境.124.3 四通道踪示波器.12第5章 仿真的结果及分析.155.
3、1 电路原理仿真图.155.2 方波接线图.155.3 三角波接线图.165.4 正弦波接线图.175.5 方波、三角波、正弦波接线图.195.6 仿真的结果及分析.20致谢.22参考文献.23第1章 绪论1.1 课题背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展,促使信号发生器种类增多,性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现,更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在,许多信号发生器带有微处理器,因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能,可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功
4、耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中,如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域,常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中,以及一些科学研究中,锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中,为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像,常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器,在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生
5、产,都使我们研制一种低功耗、宽频带,能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。1.2 国内外现状函数发生器作为一种常见的应用电子仪器设备,既能构成独立的信号源,也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其他自动测试设备的组成部分,函数发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术,因为它是能够提高质量的精密信号源及扫频源,可使相应系统的检测过程大大简化,降低检测费比并且提高了检测精度。美国安捷伦生产的33250A型函数/任意波形发生器可以产生稳定、精准度和低失真的任意波形。国产S1000型数字合成扫描信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源,同时应用DDS和锁相技术。目前市场上
6、的信号发生器多种多样。1.3 含义及作用意义函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器,要求能够长生形状良好的方波,三角波,正弦波等波形,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,常用于科研,生产。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外,还广泛用于其他非电测量领域。本次毕业设计旨在设计一函数信号发生器,并使用软件进行电路仿真,要求电路简单波形良好。函数信号发生器的设计方案有很多,本文采用纯硬件设计,以多谐振荡器产生方波,经过积分电路转变为三角波,再经过积分网络转变为正弦波,最后以软件MultiSim进行仿真。本文介绍了555定时器的参数,工作原理,及利用5
7、55定时器联接而成的多谐振荡器,介绍了总电路的联接方法及电路相关参数的设定,介绍了MultiSim的使用方法及对本文所介绍函数信号发生器的仿真情况。在仿真过程中,记录波形参数,研究其失真度。在设计完毕初步进行仿真之后,发现得到的波形存在较大失真,通过调节电路的电阻电容值,波形得以改善,最终得到了令人较为满意的波形。凡是产生测试信号的仪器,统称为信号源,也称为信号发生器,它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。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。函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器,
8、常用于科研,生产,维修和实验中。例如在教学实验中,常使用函数发生器的输出波形作为标准输入信号,接至放大器的输入端,配合测试仪器,例如用示波器定性观察放大器的输出端,判断放大器是否工作正常,否则,通过调整放大器的电路参数,使之工作在放大状态;然后,通过测试仪器,获得该放大器的性能指标。函数信号发生器产生信号频率的范围可从几个微赫到几十兆赫。而在测试、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
9、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。因此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。另外除供通信、仪表和自动控制系统测试用外,还广泛用于其他非电测量领域。1.4 本文函数信号发生器主要参数 (1)在给定的+6V直流电源电压条件下,使用555芯片和运算放大器设计并制作一个多波形(方波、三角波和正弦波)发生器。(2)信号频率f:0.85kHz1.14kHz (实现频率可调)。(3)信号周期T:874us1.155ms。(4)输出电压峰峰值
10、:方波:2VVp-p5V, 三角波:220mvVp-p340mv, 正弦波:4mvVp-p14mv。第2章 波形失真研究2.1失真的定义失真度表征一个信号偏离纯正弦信号的程度。失真度定义为信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值, 如果负载与信号频率无关, 则信号的失真度也可以定义为全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比并以百分数表示, 如公式2-1: C= (2-1) 公式(2-1)中: C为失真度; P 为信号总功率; P 1 为基波信号的功率; U 1 为基波电压的有效值; U 2U n 为谐波电压有效值。2.2失真分析方法目前测量失真度的原理大致分为两类:基波剔除法和频谱分
11、析法。 一般模拟式的失真度测量仪都采用基波剔除法,通过具有频率选择性的无源网络(如:谐振电桥,文式电桥,双T陷波网络等)抑制基波,由总电压有效值和抑制基波后的谐振电压有效值计算出失真度。 第二类失真度测量采用频谱分析法,通过计算出各次谐波的大小来计算失真度。此类测量方法测量的最小频率是2Hz。2.3失真测量方法失真测量可以分为模拟法和数字化方法。 (1)模拟法模拟法是只指测量中直接应用模拟电路对信号处理测量失真度的方法。基于模拟法的失真度测量仪由于前级电路有源器件的非线形,因此对小信号的测量不够准确。模拟法又可分为基波抑制法和谐波分析法。基波抑制法的失真度测量仪采用基波抑制原理,通过具有频率选
12、择性的无源网络抑制基波,由总的电压有效值和抑制基波后的谐波电压有效值计算出失真度。基波抑制法构成的失真测量仪可以解决的频率的范围为1Hz1MHz,但测量准确度为5%30%,因此本实验中不采用该种方法;谐波分析法的失真度测量中,用了频谱分析仪和波形分析仪检测信号中的基波和各次谐波的电压,获得基波和各次谐波的电压并带,从而计算出失真度。(2)数字化方法数字化方法是指先通过将信号数字化并送入计算机,在由计算机计算出失真度的测量方法。根据失真度的计算方法可分为FFT法和曲线拟合法。2.4失真测量中的几个问题(1)测量方法或仪器的选择 在实际测量中需要针对被测信号的频率范围、失真度的大小和测量环境的需求
13、等因素, 合理地选取测量方法或测量仪器, 否则, 将会造成过大的测量误差或测量成本的升高。 (2)失真度测量精度的检验 对失真度测量精度的检验是失真度测量中涉及的重要问题, 尤其对于采用数字化测量算法的开发人员,如何生成失真信号进行仿真实验验证算法是一个至关重要的问题。由于三角波、方波和锯齿波为自然失真波, 从理论上讲由无穷多次谐波叠加而成, 比任何人为合成的标准失真源更为合理和精确 , 所以以上三种波形常被用作失真度测量仪检定的典型函数, 非常适合于大中量程的检定。采用典型失真检定函数的方法, 对于数字化方法的失真度测量准确度的验证和比较尤为方便。 (3)噪声干扰引入的误差影响在失真度测量中
14、, 由硬件装置内部的干扰、噪声等引入的杂散干扰, 以及失真度测量仪内部所引起的附加失真度等因素的影响较小, 一些性能较好的失真度测量仪中这些影响可以小到(1 5) 10- 4量级。因此, 噪声、干扰对大失真度的测量影响甚微, 但对于小失真度的测量影响较大。 第3章电路原理及主要电路和元器件介绍3.1 电路原理本次设计采用555定时器组成多谐振荡器,在接通电源后自行产生矩形波,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。具体示意图如图3-1所示。多谐振荡器方波正弦波三角波 积分电路 积分电路 图3-1 波形转换原理框图3.2 发生器总电路图如下图3-2所示电路可同时产生方波、三角
15、波、正弦波并输出。其中555定时器接成多谐振荡器工作形式,C2为定时电容,C2的充电回路是R2R3RPC2;C2的放电回路是C2RPR3IC的7脚(放电管)。由于R3+RPR2,所以充电时间常数与放电时间常数近似相等,由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数,其频率为1kHz左右,调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后,输出三角波。三角波再经R5、C6和R6、C7积分网络,输出正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源指示。如图3-2所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。图3-2 函数信号发生器电路原理图3.3 多谐振荡器电路及555芯片介绍
16、3.3.1 多谐振荡器电路介绍用555定时器组成的多谐振荡器及工作波形如图3-3所示。 图3-3(a)555定时器组成的多谐振荡器 图3-3(b)多谐振荡器工作波形接通电源后,电容C被充电,当1上升到2/3VCC时,使为低电平,同时放电三极管T导通,此时电容C通过R2和T放电,当1下降到1/3VCC时,翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为:T1 =0.7R2 C (3-4) 当放电结束时,T截止,VCC将通过R1和R2向电容器C充电,1由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为: T2 =0.7( R1 + R2)C (3-5)当1上升到2/3VCC时,电路又翻为低电平。如此周而复始,于是
17、,在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如下: 其振荡频率为: f =1.43/( R1 + 2R2)C (3-6) 占空比: q%= T2/(T1+T2) (3-7)3.3.2 555芯片介绍 555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路,可以将输入的模拟信号变化为一定的数字信号输出,因而广泛应用于生产实践的各个领域。它不仅用于信号的产生和变换,还常用于控制和检测电路中。555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、由两个与非门G1和G2组成的基本RS触发器(低电平触发)、放电三极管T以及输出反相缓冲器G3组成,其内部结构图如图3-8所示。图3-8 555定时
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