信号与系统课程设计信号发生器的设计与实现.docx

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信号与系统课程设计信号发生器的设计与实现

信号与系统

课程设计报告

学院电气与电子工程学院

班级电气1004班

学号U201011871

姓名张丰伟

信号发生器的设计与实现

一.概述

信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。

按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。

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。

各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。

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。

二.设计要求

自已设计电路系统，构成信号发生器，要求能产生三种以上的信号。

（可以一种电路产生多种信号，也可以由不同电路产生不同信号）。

利用Matlab或PSPICE或PROTEL或其他软件仿真。

三.相关原理

1.RC正弦波振荡电路

常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。

文氏电桥是利用电阻与电容作为回授的一种电桥型振荡器，工作频率可达约几MHz左右。

将输出接至一电阻（R3）与电容（C1）串联之电抗（XS）串接一电阻（R4）与电容（C2）并联之电抗（XP），再将XP之电压回授至输入端，此方式称为韦恩桥式震荡器.。

Xs=R4-jXc1

XP=R3//JXc2=

回馈电路如下：

利用巴克豪生准则，震荡时虚部为零，增益为1。

故虚部之

；

回路增益

若

；

，则

增益必须为

始可满足振荡之要求。

振荡频率为：

。

2.ＬＣ振荡电路

三点式振荡电路是指三极管的三个极（对于交流信号）分别与LC谐振回路的三个端点直接相接的振荡电路。

这种电路的一般结构如图Z0804所示。

图中X表示组成谐振回路各元件的电抗。

    谐振回路是由电感和电容两种不同性质的电抗元件组感的，谐振时，其等效阻抗呈纯电阻性，因此总电抗必然为零，即X1 +X2 + X3=0，而且，共射放大电路的输出电压

（图中为UC）与输入电压

（图中为Ub）反相，即φA=π。

为了满足振荡的相位平衡条件，即φA+φF=2nπ，则要求φF=π，即反馈网络必须有180°的相移。

设回路电流为，由图可以得到

    显然，只有X1与X2同号时才能满足φF=π，也就是说，X1与X2只有电抗性质相同时（同为电感或同为电容），才满足相位平衡条件。

又因为X1 + X2 + X3 =0，所以X3与X1、X2性质必须相反，即若X1、X2为电感，则X3必须是电容。

    综上所述，构成三点式振荡电路的原则是X1与X2性质相同，而X3则与它们的性质相反。

可概括为"射同基（集）反"即与射极相连的两个电抗元件的性质相同，与基极（或集电极）相连的两个电抗元件的性质相反。

用这一原则，可以迅速判断出三点式振荡电路是否满足振荡的相位平衡条件。

3.555 定时器

555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。

它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。

555定时器的内部电路框图和外引脚排列图分别如图2.9.1和图2.9.2所示。

它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率输出级。

它提供两个基准电压Vcc/3和2Vcc/3

555定时器的功能主要由两个比较器决定。

两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。

在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2Vcc/3，C2的反相输入端的电压为Vcc/3。

若触发输入端TR的电压小于Vcc/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。

如果阈值输入端TH的电压大于2Vcc/3，同时TR端的电压大于Vcc/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。

4.电压比较器

电压比较器是对输入信号进行鉴别与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路。

常用的电压比较器有单限比较器、滞回比较器、窗口比较器、三态电压比较器等。

5.积分电路

积分电路主要用于波形变换、放大电路失调电压的消除及反馈控制中的积分补偿等场合。

右图是一个典型的积分电路图。

由图可以看出，输入信号经过了一个电阻后经过反馈流到电容上，但此时认为电容的初始电量为零，故此时给电容充电。

由理想运算放大器的虚短虚断性质可推出，vn-vo=1/c∫idt,所以vo=-1/（RC）∫vdt.

如果把R1和C换个位置，就成了微分电路（但输入的电压应该是交流信号才可通过电容）。

四.电路设计

1.概述

电路低频部分，由ＲＣ文氏正弦产生电路产生749mHz－102kHz的正弦波，经比较器后转化成方波，方波经积分电路转化成三角波。

输出端经可调放大电路调节幅值及可调电源调节电平输出可变频率，幅值，电平的正弦，矩形波，三角波。

电路中频部分，555定时器组成多谐振荡器，输出中频正方波及三角波，LC电容三点式电路输出中频正弦波。

输出端经可调放大电路调节幅值及可调电源调节电平输出可变频率，幅值，电平的正弦，矩形波，三角波。

2.低频正弦波，矩形波，三角波电路

将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。

方案选择中，正弦波电路是最重要的部分，正弦波不仅是所需输出信号，而且是方波电路的输入信号。

此部分电路我们采用的是典型的RC乔氏正弦波振荡电路如下图，其中R3、R4、R5及二极管D1、D2构成负反馈网络和稳幅环节。

二极管D1、D2为自动振幅元件，其作用是：

当u0幅值很小时。

二极管D1、D2相当于开路，此时有D1、D2和R组成的并联支路等效电阻较大，设R3、和R5、D1、D2并联支路的总等效电阻为Rf，则Rf也较大，所以Auf=（1+Rf/R4）>3,有利于起振;反之当u0幅值较大时，D1、D2导通，并联支路的等效电阻下降，Rf也下降，所以Auf随之下降，如果此时Auf≈3，则u0幅值趋于稳定。

另外，采用两只二极管反向并联，目的是使输出电压在正负两个半周期内轮流工作，使正半周和负半周振幅相等，这两只管子特性应相同。

而RC串并联电路构成选频网络，同时兼作反馈环节，连接于集成运放的输出端和同向输入端之间构成正反馈，以产生正弦自激振荡。

根据振荡器的频率，计算RC乘积的值，有RC=1/（2*π*f0）

为了实现仿真，根据运算放大器的技术参数，并且结合经济性，运算放大器为LM324N。

已知给出f0=1Hz~100KHz，则RC=1.5915*10-5~1.5915*10-3，为了使选频网络的特性不受运算放大器输入电阻和输出电阻的影响，按Ri>>R>>R0的关系选择R的值，初选R=1kΩ，则C=10uF~0.75nF，我们采用五层波段开关，五支容值13333倍的电容，则C=10uF，1uF，100nF，10nF，0.75nF。

而R则取为20kΩ的可调电阻。

因此，鉴于设计要求频率1Hz——100KHz跨度较大，我们采用五层波段开关两组五支电容和五支同轴电位器来调节。

选用不同的电容作为振荡频率f0的粗调，用同轴电位器实现f0的微调。

每一值电容和电位器组合都可以调节一段范围，交叉，故实现频率为连续可调。

不同档位分别产生正弦波频率为0.749Hz～15.7Hz，7.49Hz～157Hz，74.9Hz～1.56kHz，747kHz～11.3kHz，6.57kHz～87.5kHz，8.09kHz～102kHz

方波产生电路，主要用由高速运放AD817AQ及可调电源组成的电压比较器。

在实用电路中为了满足负载需要，常在集成运算的输出端加稳压管限幅电路。

限幅电路的作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。

输出信号与输入信号的积分成正比的电路，称为积分电路。

积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波。

电路原理很简单，都是基于电容的冲放电原理。

取R10=1kΩ,C=100nF,1uF,10uF,100uF,1000uF,对应不同的频段的输入矩形波号，输出不同频段的三角波信号。

电路如图。

3.中频正弦波

采用LC电容三点式正弦振荡电路，产生中频正弦信号。

频率f=f0=

，分别取固定电容，电感值为91nF，9.1uH，15nF，10uH，6nF，5uH，1.2nF，5uH，150pF，5uH，通过调节可调电容，可分别产生频率96.0kHz～233kHz，229kHz～574kHz，489kHz~1.09MHz，930kHz~2.8MHz，2.44MHz~7.71MHz正弦波。

D1D2为稳压管，可维持输出电压较稳定。

电路如图。

4.中频矩形波，三角波

多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。

在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。

两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。

多谐振荡器可用作方波发生器。

　　接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。

充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。

是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得

　　输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2

　　输出低电平时间T=R2Cln2

振荡周期T=（R1+2R2）Cln2。

输出方波的占空比为q%=

=

。

由于电路中二极管D1,D1的单项导电性，使电容器C的充放电回路分开，调节电位器，可调节多谐振荡器的占空比。

调节可变电容就可调节输出频率。

电容C两端电压近似为三角波。

此时输出波形占空比q%=

=

。

采用五档开关粗调，固定电容值分别为5nF，430pF，30pF，3.0pF，0.1pF，调节对应可调电位器，可得到波形频率分别为947Hz～10.3kHz，9.56kHz～106kHz，93.0kHz～1.05MHz，821kHz～11.8MHz，9.3MHz～101MHzHz。

五仿真结果

低频正弦波仿真波形及频谱

低频矩形波仿真波形及频谱

低频三角波仿真波形及频谱

低频正弦波，矩形波，三角波仿真波形

中频正弦波仿真波形及频谱

中频矩形波仿真波形及频谱

中频三角波仿真波形及频谱

中频矩形波，三角波仿真波形

六总结

由仿真波形可看出，RC振荡电路产生低频正弦波起振较快，波形较稳定，杂谐波较小。

经比较器得到的矩形波波形也较好。

但经积分电路得到的三角波由起始到收敛为三角波历时较长，波形也不太稳定。

LC电容三点式振荡电路产生的正弦波起振较慢，波形较差，输出波形振幅随频率变化较大，幅值和频率调节其中之一，另一个也发生变化。

由555定时器组成的多谐振荡器输出正方波波形稳定，振幅稳定，但通过电位器调节占空比较困难（非线性变化）。

电容两端近似为三角波，波形较差，且由起始到收敛为三角波历时较长，波形也不太稳定。

由于非线性，通过电位器或可调电容调节波形频率较困难。

七收获与体会及存在的问题

在这次设计、仿真过程中我对抽象的理论有了进一步的认识。

通过这次课程设计，我了解了常用元件的识别和测试；熟悉了常用的仪器仪表；了解了电路的仿真方法；以及如何提高电路的性能等等。

虽然这次实验使得我纠结了几天，但收获的确很多。

在这次实验中，总结了很多感触体会，我们不能盲目的图快，这样能让我们少走弯路，更加节省时间。

在实验过程中，遇到了不少的问题，如波形失真甚至不出波形，暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，通过实验对过去未理解的很多知识有了明了的认识。

同时，我也看到了自己身上的不足。

设计的电路过于简单，平时也很少自主的进行电路设计方面的学习和训练。

在电路调试阶段，多次出现异常现象，排除异常时通过XX、维基等，自己独立排除故障较困难，以后需要加强这方面知识的学习，提高自己在电路故障方面的分析能力。

此课程的设计，真的让我认识到了实践能力的的重要性与真实性。

比如设计的电路图，在理论上行得通，在仿真时就出各种各样的问题，如果连成实际电路问题还会更多。

这能让我们很好的加深对理论知识的理解，同时也巩固了以前知道的知识。

这次课程设计让我意识到运用所学的知识去解决实际的问题的重要性，我们学理工科的同学应更多的锻炼提高我们的实际操作能力。