信号与系统课程设计信号发生器.docx
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信号与系统课程设计信号发生器
电气与电子工程学院
《信号与系统》
课
程
设
计
设计题目信号发生器的设计与实现
指导老师
班级
姓名
学号
完成日期2014年8月20日
一.设计题目
信号发生器的设计与实现
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.设计内容及要求
利用所学知识自己设计电路系统,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.设计目的
1.进一步掌握函数信号发生器基本工作原理
2.学会运用Matlab或PSPICE或PROTEL进行绘图,仿真和分析,进一步验证和检验自己的电路设计
3.培养自己电路设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。
四.设计方案及原理
整体设计思路
首先产生正弦波,再由过零比较器产生方波,最后由积分电路产生三角波。
正弦波通过RC串并联振荡电路(文氏桥振荡电路)产生,利用集成运放工作在非线性区的特点,由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波,然后将方波经过积分运算变换成三角波。
在三角波-方波产生电路的基础上,再加入二极管和电阻串联支路,即可构
成一个幅值可以改变的锯齿波发生器。
1.正弦波产生电路及原理
文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路,RC串并联网络具有
选频的作用,它与放大器结合起来即可构成RC振荡电路。
它适用于产生频率小
于1MHz的低频振荡信号,频率和振幅较稳定,频率调节方便。
如上图所示,图中R1、C1、R2、C2构成串并联选频网络,接于运算放大器
的输出与同相输入端之间,构成正反馈,以产生正弦自激振荡。
其余部分是带有
负反馈的同相放大电路,R3、R4、R5构成负反馈网络,确定电压增益使其满足
振荡的幅值条件。
二极管D1、D2则有利于正弦波的起振和稳定输出幅度。
RC串并联网络的频率特性可以表示为
令
则上式可简化为
,以上频率特性可分别用幅频特性和相频特性的表达式表示如下:
|
|
,
根据RC串并联网络的选频特性及上述平衡条件容易得到RC正弦波振荡电路的振荡频率为:
;
振荡的幅度平衡条件|
|
是表示振荡电路已达到稳幅振荡时的情况。
若要振荡电路能够自行起振,开始时必须满足
的幅度条件。
已知当
时,
,由此可求得振荡电路的起振条件为:
同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为:
所以当
时,幅频响应的幅值为最大F=1/3,相频响应的相位角为零。
且负反馈电压增益Av=(R3+R4+R5)/R4略大于3,由于电路中存在噪声,它的频谱分布很广,其中一定包括有ω=ω0=1/RC这样一个频率成分。
这种微弱的信号,经过放大器和正反馈网络形成闭环。
使输出幅度愈来愈大,最后受电路中非线性元件的限制使振荡幅度自动地稳定下来。
通过波形,可以清楚的看到起振到振幅稳定的过程。
2.方波-三角波产生电路
由电压比较器和积分器构成方波-三角波发生器实验电路,积分电路的输出电
压反馈至电压比较器的输入端,形成闭环,使电路产生自激振荡。
由于采用了积
分电路,使方波-三角波发生器的性能大为改善,不仅得到的三角波线性度比较
理想,且振荡频率和幅度也便于调节。
设计电路图
图2.方波-三角波产生电路
电路中,Vout1输出的波形即为方波。
产生方波的部分电路采用了电压比较器。
电压比较器简称比较器,其基本功能是对两个输入电压进行比较,并根据比较结果输出高电平或低电平电压,据此来判断输入信号的大小和极性。
电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换,模数转换以及越限报警等许多场合。
电压比较器通常由集成运放构成,与普通运放电路不同的是,比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。
只要在两个输入端加一个很小的信号,运放就会进入非线性区,属于集成运放的非线性应用范围。
在分析比较器时,虚断路原则仍成立,虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。
本电路采用的是同相输入的过零比较器。
当Vp大于零时,Vout1输出为
,当Vp小于零时,Vout1输出为
。
由此即可产生方波。
改变D1,D2可以改变方波输出幅值。
输出Vout1的波形可得到所需方波如下图所示
Vout2的输出波形为三角波。
在产生三角波的部分电路中采用了积分电路。
积分电路是一种常见的数学运
算,利用虚短和虚断的原理。
通过电阻R的电流即等于通过电容C的电流。
所以:
即Vout2是对Vout1的积分。
当Vout1的输出波形为方波时,Vout2的波形自然为三角波
且三角波的幅值:
Vout2=
因Vout2由0上升到Vout2所需时间为1/4T故Vout2=
=
改变R1,R2之比即可改变三角波幅值。
三角波和方波的振荡频率相同,其值为
f=
=
改变R或C的值,可改变三角波的频率。
Vout2所显示的波形即为所需的三角波
3.锯齿波产生电路
在三角波-方波产生电路的基础上,只需加入二极管和电阻串联支路,即可构
成一个幅值可以改变的锯齿波发生器。
设计电路图
图3.锯齿波产生电路图
设t=0时接通电源,有Vo1=-Vz则-Vz经R4向C1充电,使输出电压按线性规律增长。
当VOUT上升到门限电压
使Vp=Vn=0时,比较器输出Vo1由-Vz上跳到+Vz,同时门限电压下跳到VT–值。
以后Vo1=+Vz经R4和D3,R3两支路向C1反向充电,由于时间常数减小,VOUT迅速下降到负值。
当VOUT下降到下门限电压VT–使Vp=Vn=0时,比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。
如此周而复始,产生振荡。
由于电容C1的正向与反向充电时间常数不相等,输出波形VOUT为锯齿波电压,Vo1为矩形波电压。
锯齿波的周期T=T1+T2=
所显示的波形为
4.在同一电路中实现方波-三角波-正弦波的同时产生
设计思路:
在前文中通过积分电路可以将方波转化为三角波,同时,由于三角波通过傅里叶变换可以展开成含有基波,3次谐波,5次谐波的正弦波,使用低通滤波器进行滤波即可以将三角波转化为正弦波。
如下图所示:
比起采用不同电路,此方法更为节省元件。
设计电路:
图中Vout1,Vout2,Vout3分别产生方波,三角波,正弦波。
此时所显示的波形为:
由图可知,在同一电路中实现了三种波的产生。
五.设计总结
通过本次课程设计,加深了对正弦波,方波,三角波,矩形波产生电路的
理解,并学会了在掌握原理的基础之上如何选用元件,设计参数来进行电路的设
计。
通过自学,学会了用pspice进行电路图的绘制,设置仿真类型和参数,调整
输出波形,测量输出波形的基本物理量。
此外,通过课设我学会了如何有效地利用图书馆、网络,一般研究报告的格
式。
以及使用word的一些小技巧。
总而言之,在课程设计过程中受益匪浅,不仅巩固了以前学习过的知识,还
学习到了新知识,而且学以致用,将所学知识转化成了实际应用。
六.参考书目
[1]Kamen,E.W,&Heck,B.S.(2002).FundamentalsofsignalsandsystemsusingthewebandMATLAB,
ed.北京:
科学出版社
[2]陈大钦,罗杰.电子技术基础实验.[M].北京:
高等教育出版社,2008.6.
[3]吴正光,郑颜.电子技术试验.仿真与实践[M]北京:
科学出版社
[4]穆秀春,华春梅,吕中志.PSpice电子仿真及应用[M].北京:
科学出版社,2010.1
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