正弦信号发生器的研究.docx
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正弦信号发生器的研究
正弦信号发生器的研究
学号:
1008421063
本科毕业论文(设计)
(2014届)
正弦信号发生器的研究
院系电子信息工程学院
专业电子信息工程
姓名张*
指导教师钟**讲师
2014年4月
2014年4月
摘要
随着电子技术的飞跃发展,社会发展步入了信息时代;随着生活水平提高,人们对精神生活的要求也跟着提高,这对电子领域提出了跟更高的要求。
所以我们有必要在电子技术的各个领域不断创新、提高。
正弦信号发生器广泛地应用于电子电路,自动控制系统,仪表测量校正调试和教学实验等领域。
本文利用仿真软件Proteus,以RC振荡电路、LC振荡电路、石英振荡电路为选频网络,仿真出三种正弦信号发生器的电路,通过仿真结果分析电路参数对正弦信号发生器性能指标的影响。
其中研究RC振荡电路中电阻、电容对振荡频率的影响;讨论电位器对
振荡电路输出波形的影响;讨论谐振回路的电容对振荡频率和反馈系数的影响;研究负载电阻对电路输出波形的影响等。
关键词:
正弦信号发生器;Proteus;LC振荡电路;RC振荡电路
1绪论
1.1本课题研究的背景及意义
随着电子技术的飞跃发展,社会步入了信息时代;同时随着信息时代对人才高素质和信息化的要求以及高等教育发展的趋势、生活水平提高,人们对精神生活的要求也渐渐地跟着提高。
电子通讯技术的应用在现代生活中已经无处不在,有利的推动生产力的发展以及社会信息化程度的提高,同时电子通讯产品性能不断提高,产品更新的节奏也越来越快。
这对电子领域提出了更高的要求,所以我们有必要在电子技术的各个领域不断创新、提高。
信号发生器又称信号源或振荡器[1],在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
正弦波的电路被称为函数信号发生器,其频率范围可从几个微赫到几十兆赫,除供通讯、遥控和热处理设备中外,还广泛用于各种电子设备中。
例如,无线电发射机中的载波信号源,接收设备中的本地振荡信号源,各种测量仪器像信号发生器、频率计、FT测量仪中的核心部分和自动控制环节,都离不开正弦信号发生器。
信号发生器也是控制系统的重要组成部分,是工业自动化中不可缺少的测量设备,因此在许多高科技领域都得到了非常广泛的应用,如设计与测试、汽车制造业、生物医学、传感器仿真、函数发生器等领域。
因此通过借鉴国内外研究工作的先进经验,研制出高精度、可靠性、可调参数的数字量信号发生器,对于促进我国航空、航天、国防及工业自动化等领域的发展,跟随和赶超世界先进水平均有重要意义。
本课题的主要目的是为了学以致用,利用掌握的知识和技能分析与解决问题。
本设计通过对电路设计的流程和要求的掌握,以及对Proteus应用软件的了解使我们学会设计和分析电路并分析仿真结果,加深对所学知识的理解,提高我的专业技能水平。
1.2信号发生器的发展
信号发生器是一种最悠久的测试仪器,早在二十世纪20年代年代电子技术刚出现时信号产生电路就产生了。
紧接着由于电子通信和无线电技术的快速发展发展,二十世纪40年代出现了主要运用于测量各种接收机的标准信号发生器,从而把是定性分析的测试仪器的信号发生器发展成定量分析的测试工具。
与此同时还发明了脉冲信号发生器,它是可用来测量脉冲电路或者作为脉冲调制器。
由于在前期的振荡器的内部结构比较复杂,功率也比较大,同时也拥有比较简单的电路,因此速度发展的相对较慢。
在二十世纪六十年代中期才诞生了第一台全晶体管的信号发生器。
自从60年代以后,信号发生器发展的非常的迅速,人们紧接着发明了函数发生器,这个时期的信号发生器一般采用模拟电子技术[2],由分立元件或模拟集成电路构成,此时的信号发生器电路比较复杂,而且只能够输出正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种比较简单的信号波形,随后人们发现模拟电路的漂移较大,导致信号发生器输出的波形的幅度不稳定,而且,输出波形的性能比较差,而且模拟器件构成的电路存在着许多缺点,例如,尺寸比较大、价格比较贵、功耗也较大,并且如果要产生比较复杂的信号波形则要求电路结构非常复杂。
自从二十世纪70年代,微处理器出现以后,人们利用微处理器、A/D和D/A技术[3],同时利用硬件和软件扩大信号发生器的许多功能,产生比较复杂的波形。
这时期的信号发生器大多数以软件为主,但是,那时的信号发生器实质是采用微处理器对DAC的程序控制,就可以得到各种简单的波形。
当然,由于是软件控制波形的导致了产生的波形频率比较低,这主要是取决于微处理器的工作速度,如果想提高波形频率可以改进软件程序,就是要减少其执行周期或者提高微处理器的时钟周期,但是这些办法是有限度的,改进硬件电路才是根本的办法。
随着现代的电子技术、计算机和信息处理等技术的快速发展,同时也极大促进了数字技术在电子测试仪器中的应用,从而使数字化技术[4]慢慢地代替了模拟技术,从而增强了仪器信号的处理能力,提高了信号测量的准确度、精度和变换速度,克服了模拟信号处理带来的的许多不足,从而数字信号发生器也快速地发展起来。
在当今的信息时代,信号发生器的应用非常广泛,种类很多。
首先,信号发生器可以分通用和专用两大类,专用就是主要为了某种特殊的测量而开发制造的,例如,电视信号发生器、广播信号发生器等等。
当然这种信号发生器的特性是由受测量对象的要求所限制的。
其次,信号发生器按输出波形又可分为正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器、函数发生器和任意波发生器等。
再次,按照产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。
随着通信、电子及微电子技术的快速发展,对各种高性能的测试仪器、高频段信号发生器的需求越来越多,我国数字合成信号发生器发展也较快,并广泛应用在通信、雷达、无线电导航、影视音响以及电测试仪器等领域。
我国信号发生器行业目前发展形势良好,该行业企业正逐渐产业化,规模化发展,随着我国信号发生器行业需求市场的不断扩大以及出口不断增加,我国信号发生器行业将迎来一个新的发展机遇。
2电子设计软件Proteus简介
2.1Proteus的概述
有了protel、Multisim、proteus、psice等一系列的软件的存在,就此便可以以虚代实、以软代硬,独立建立一个完善的虚拟实验室。
代替了在实验室和教室里的以实物进行实践的方式,可以在计算机上学习电工基础,模拟电路、数字电路、单片机应用系统等课程,并进行电路设计、仿真、调试等。
因此这一系列的软件受到广大电子设计爱好者的青睐,是他们工作、学习上难得的工具软件,也因此它们在全球得到了广泛应用。
其中,Proteus是英国Labcenterelectronics公司开发的EDA工具软件[5]。
Proteus软件提供多达30多个元件库,元件涉及到数字和模拟、交流和直流等,有RAM、ROM、键盘、马达、LED、LCD、AD/DA、部分SPI器件、部分IIC器件,编译方面支持Keil和MPLAB等编译器。
它的功能强大,集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身,不仅能够对电工、电子技术所涉及的电路进行仿真与分析,还能够对CPU进行设计、仿真和分析,也能仿真单片机外围电路或没有单片机参与的其它电路的工作情况。
它还提供多种现实存在的虚拟仪器,这些仪表有极高的输入阻抗、极低的输出阻抗,尽可能减少仪器对测量结果的影响。
此外,Proteus软件还有图形显示功能,可以将线路上变化的信号,以图形的方式实时地显示出来。
对于单片机硬件电路和软件的调试,Proteus 提供了两种方法:
系统总体执行效果和对软件的分步调试。
它还提供了比较丰富的测试信号用于电路的测试,这些测试信号包括模拟信号和数字信号。
在用Proteus进行仿真和程序调试时,只要关心从工程的角度直接看程序运行和电路工作的过程和结果。
它还提供SchematicDrawing、SPICE仿真与PCB设计功能,同时可以仿真单片机和周边设备,可以仿真PIC、AVR、51系列等常用的MCU,并提供周边设备的仿真,例如示波器、373、led等。
2.2基本组件
Proteus有以下组件组成:
(1)原理图输入系统
(2)电路仿真
(3)未处理软件协同仿真
(4)源码级调试
(5)诊断信息
(6)外围器件模型库
2.3基本操作
图形编辑的基本操作包括:
(1)对象放置
(2)选中对象
(3)删除对象
(4)拖动对象
(5)拖动对象标签
(6)调整对象大小
(7)调整对象的朝向
(8)拷贝所有选中的对象
(9)移动所有选中的对象
(10)删除所有选中的对象
2.4原理图的绘制
原理图绘制可按照如下步骤进行:
(1)画导线
(2)画总线
(3)画总线分支线
(4)放置总线将各总线分支连接起来
(5)跳线
(6)放置线路节点
3电路的设计方案
3.1正弦信号发生器的功能、分类
3.1.1正弦信号发生器的功能
信号发生电路是用于产生一定频率和幅度的变化信号,也称为振荡器。
振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下,电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定波形和一定振幅的交变震荡信号输出。
而正弦波振荡电路的功能是在没有外加输入信号的条件下,电路自动将直流电源提供的能量转换为具有一定频率、一定振幅的波形为正弦波的信号输出。
即电路在没有输入信号的条件下,接通电源Vcc后,电路输出的信号u(t)=Umsin(wt+φ)或u(t)=Umcos(wt+φ)[6]。
振荡器在通信领域应用范围极广。
在无线电通信、广播和电视发射机中,正弦波振荡器用来产生运载信息的载波信号;在超外差接收机中,正弦波振荡器用来产生“本地振荡”信号以便与接收的高频信号进行混频;在测量仪器中,正弦波振荡器作为信号发生器、时间标准、频率标准等应用。
3.1.2正弦信号发生器的分类
根据选频网络的不同,正弦波发生电路可以分为由电阻R和电容C构成的RC正弦波发生电路,振荡频率较低,一般在1MHz一下;由电感L和电容C构成的LC正弦波发生电路振荡频率较高,一般在1MHz以上;由石英振荡器组成的正弦波发生电路也可等效为LC正弦波振荡电路,其特点是振荡频率非常稳定。
而按照有无外界激励,可以分为自激和他激波形发生电路,RC、LC和石英振荡器组成的电路属于自激振荡电路。
正弦波发生电路的基本结构是在放大电路中引入正反馈。
为产生稳定可靠的振荡,主要需要具备四方面的条件:
1接入正反馈,成为相位条件,是产生振荡的首要条件。
2满足幅度条件。
3保证输出波形为单一频率的正弦波,必须具备选频特性。
4稳幅特性。
故正弦波一般包括放大电路、正反馈网络、选频网络、稳幅电路四部分[7]。
放大电路:
保证电路能够从起振到动态平衡的过程,使电路获得一定幅值的输出量,实现能量的控制。
正反馈网络:
引入正反馈,使放大电路的输入信号等于反馈信号。
选频网络:
确定电路的振荡频率,使电路产生单一频率的振荡,即保证电路产生正弦波振荡。
稳幅电路:
也就是非线性环节,作用是使输出信号幅值稳定。
3.2正弦信号发生器的性能指标
3.2.1反馈振荡器产生振荡的原因及其工作原理
反馈性振荡器是通过正反馈连接方式实现等幅的正弦波振荡电路。
这种电路可以分成两个部分,一个是放大电路,二是反馈电路。
图3-1所示的为反馈振荡器构成方框图和相应的电路。
由图可知道,当开关经过放大器放大后,在输出端产生输出信号,若经过反馈网络并在反馈网络输出端得到的反馈信号与不仅大小相等,而且相位也相同,即实现了正反馈。
若此时除去外加信号,将开关由1端转接到2端。
使放大器和反馈网络构成一个闭环系统,那么,在没有外加信号的情况下,输出端仍然可以维持一定幅度的电压,从而实现了自激振荡的目的。
图3-1反馈振荡器构成方框图
为了使振荡器的输出为一个固定频率的正弦波,图3-1所示的闭合环路内必须含有选频网络,使得只有选频网络中心频率的信号满足相同的条件而不产生振荡。
选频网络可以和放大器相结合构成选频放
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