模擬電子技術(shù)課程設(shè)計--信號發(fā)生器

1、<p>　　1前言-信號發(fā)生器簡介</p><p>　　信號發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的的電測試信號的儀器。按信號波形可以分為正弦信號、函數(shù)（波形）信號、脈沖信號和隨機信號發(fā)生器等四大類。</p><p>　　信號發(fā)生器又稱為信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路

2、被稱為函數(shù)信號發(fā)生器</p><p>　　信號發(fā)生器用來產(chǎn)生頻率為20Hz～200kHz的正弦信號（低頻）。除具有電壓輸出外，有的還有功率輸出。所以用途十分廣泛，可用于測試或檢修各種電子儀器設(shè)備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶，也可用作高頻信號發(fā)生器的外調(diào)制信號源。另外，在校準(zhǔn)電子電壓表時，它可提供交流信號電壓。低頻信號發(fā)生器的原理：系統(tǒng)包括主振級、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻

3、抗變換器（輸出變壓器）和指示電壓表。</p><p>　　主振級產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號，經(jīng)電壓放大器放大，達(dá)到電壓輸出幅度的要求，經(jīng)輸出衰減器可直接輸出電壓，用主振輸出調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。</p><p>　　2.函數(shù)發(fā)生器總方案及原理框圖</p><p>　　2.1方案簡介及選擇</p><p>　　方案一：先產(chǎn)生正弦波，再由整形電

4、路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波。</p><p>　　方案二：先產(chǎn)生方波，再將方波變成三角波，再將三角波通過差分放大器產(chǎn)生正弦波。</p><p>　　本次設(shè)計采用方案一：即是按照‘正弦波—方波—三角波’的順序設(shè)計函數(shù)信號發(fā)生器，通過RC文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波，再通過由比較器構(gòu)成的整形電路將正弦波變換成方波，最后通過積分器將方波變換成三角波。</p>&l

5、t;p>　　關(guān)鍵詞：振蕩器，比較器，積分器</p><p>　　2.2 制作函數(shù)信號發(fā)生器的原理框圖</p><p>　　圖2-1-制作函數(shù)信號發(fā)生器的原理構(gòu)造圖</p><p>　　3.函數(shù)信號發(fā)生器各組成部分的工作原理</p><p>　　3.1正弦波發(fā)生電路的工作原理</p><p>　　圖3-1—正弦波發(fā)

6、生電路的原理圖</p><p>　　其中文氏電橋RC串并聯(lián)構(gòu)成正反饋支路，決定電路的振蕩頻率f0；Rf和R1形成的是負(fù)反饋支路，該反饋支路決定起振的幅值條件和振蕩波形的失真程度。</p><p>　　而在實際電路中，往往在負(fù)反饋支路中加上兩個反向并聯(lián)的二極管D1、D2（如圖3-2所示的實際電路中的D1、D2）,利用并聯(lián)的反向二極管的非線性特性來實現(xiàn)穩(wěn)幅的作用。有時候?qū)嶋H中會在并聯(lián)的二極管兩

7、端再并聯(lián)一個電阻來削弱二極管非線性的影響以改善波形的失真。</p><p>　　圖3-2 正弦波發(fā)生電路的仿真電路圖</p><p>　　正弦波發(fā)生電路的工作原理如下：</p><p>　　如圖3-1所示原理構(gòu)造圖，正弦波電路由放大電路、正反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻率網(wǎng)絡(luò)組成。RC串聯(lián)臂阻抗為Z1，RC并聯(lián)臂阻抗為Z2，通常要滿足R1=R2，C1=C2，</p>

8、<p>　　其頻率特性分析如下：，</p><p><b>　　反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)</b></p><p>　　因s=jw，令w0=1/RC，則反饋系數(shù)為</p><p><b>　　幅頻特性表達(dá)式為</b></p><p>　　當(dāng)w=w0=1/RC時，</p><p

9、><b>　　幅頻響應(yīng)有最大值</b></p><p>　　Fvmax=1/3。</p><p><b>　　此時相頻響應(yīng)為</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　這樣RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)送到運算放大器同相輸入端的信號電壓與輸出電壓同相，即，R

10、C反饋為正反饋，滿足相位平衡，可能產(chǎn)生振蕩。</p><p>　　調(diào)節(jié)RC的參數(shù)時可實現(xiàn)頻率諧振，在頻率諧振過程中，電路不會停止振蕩，也不會使輸出幅度改變。因此該選頻網(wǎng)絡(luò)決定信號發(fā)生器的輸出信號頻率。本次采用RC正弦波振蕩器，可產(chǎn)生7Hz至16KHz的低頻信號，滿足設(shè)計要求。</p><p>　　3.2正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p>　　圖3-1

11、正弦波-方波轉(zhuǎn)換電路的構(gòu)造原理圖</p><p>　　正弦波-方波轉(zhuǎn)換的仿真電路如下</p><p>　　圖3-2 正弦波-方波轉(zhuǎn)換的仿真電路圖</p><p>　　正弦波-方波轉(zhuǎn)換的電路的工作原理如下：</p><p>　　R1、D1、D2為輸入保護電路，R1為限流電阻，防止Vi過大時損壞運算放大器；D1、D2為輸入保護二極管，限制輸入電

12、壓幅度；輸出回路R2為限流電阻，Dz為雙向穩(wěn)壓二極管，完成輸出電壓雙向限幅，使得輸出電壓幅度限制為±Vz</p><p>　　當(dāng)Vi為正弦波信號時，經(jīng)比較器變換，輸出Vo為方波信號，如圖4所示.</p><p>　　圖3-3 輸出方波的特性曲線</p><p>　　3.3方波—三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p><b&

13、gt;　　圖3-4 積分器</b></p><p>　　但是在實際電路中通常在積分電容的兩端并連一個反饋電阻Rf用作直流負(fù)反饋（如圖3-5中的R10），目的是減小集成運算放大器輸出端的直流漂移。</p><p>　　圖3-5 方波-三角波轉(zhuǎn)換即積分器的仿真電路圖</p><p>　　積分器的工作原理原理如下：</p><p>

14、　　如圖3-4所示，利用虛短和虛斷兩條法則求Vo和Vi的關(guān)系，有：</p><p><b>　　有節(jié)點電流法可知</b></p><p><b>　　等式經(jīng)變形得到</b></p><p>　　，表明v0與vi為積分關(guān)系。</p><p>　　因此，若積分器輸入為方波，其輸出波形即為三角波。如圖3-

15、6所示</p><p>　　圖3-6 方波-三角波轉(zhuǎn)換器即積分器的輸出輸入波形</p><p>　　3.4電路參數(shù)的計算及選擇</p><p>　　3.4.1正弦波發(fā)生電路參數(shù)計算</p><p>　　振蕩頻率，10Hz<f0<10KHz,</p><p>　　取C=1uF，則R取值為15.9至15.9K

16、，R可取20K電位器。(但是由于實際中我們只能買到100K的電位器，故用100K的電位器取代)</p><p>　　起振幅值條件,即，R2取6k，仿真時實際取R1=3.3kΩ</p><p>　　穩(wěn)幅部分采用常見的1N4001反向并聯(lián)連接(實際由于元器件的限制改用1N4007)，輸出端用1kΩ電阻限流。</p><p>　　3.4.2正弦波—方波轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)計算&

17、lt;/p><p>　　輸入端保護限流電阻R4選擇1K</p><p>　　限制電壓輸入幅度同樣采用二極管1N4001反向并接（實際用1N4007代替）輸出端限流電阻選用20K電位器（實際用100K的電位器取代）</p><p>　　Dz選用RD15穩(wěn)壓管反向串聯(lián)，電壓幅度限制在±Vz。</p><p>　　3.4.3方波--三角波轉(zhuǎn)換

18、電路的參數(shù)計算</p><p>　　C3采用1uF，R5采用1KΩ，由計算公式得到Ｒ６＝９００Ω</p><p>　　但是由于實際元器件的限制Ｒ６用１Ｋ的電阻代替</p><p>　　并聯(lián)在積分電容兩端的電阻Ｒ１０>10R5，實際電路中選取100K或者150K的電阻都可以</p><p>　　3.5正弦波方波三角波函數(shù)信號發(fā)生器的仿真電

19、路</p><p>　　圖3-7 正弦波方波三角波函數(shù)信號發(fā)生器的仿真電路</p><p><b>　　4 電路的仿真</b></p><p>　　4.1仿真軟件的簡介</p><p>　　本次設(shè)計采用Multisim軟件進(jìn)行仿真，在Multisim中按照設(shè)計原理圖畫出仿真圖后，利用示波器查看輸出曲線。</p&g

20、t;<p>　　EDA是“Electronic Design Automation”的縮寫技術(shù),已經(jīng)在電子設(shè)計領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。EDA技術(shù)借助計算機存儲量大、運行速度快的特點，可對設(shè)計方案進(jìn)行人工難以完成的模擬評估、設(shè)計檢驗、設(shè)計優(yōu)化和數(shù)據(jù)處理等工作。EDA已經(jīng)成為集成電路、印制電路板、電子整機系統(tǒng)設(shè)計的主要技術(shù)手段。美國NI公司（美國國家儀器公司）的Multisim 9軟件就是這方面很好的一個工具。</p>

21、<p>　　Multisim 9軟件的新特點：它可以根據(jù)自己的需求制造出屬于自己的儀器；所有的虛擬信號都可以通過計算機輸出到實際的硬件電路上；所有的硬件電路上產(chǎn)生的結(jié)果都可以輸回到計算機中進(jìn)行處理和分析。</p><p>　　Multisim 9的組成：構(gòu)建仿真電路；仿真電路環(huán)境；multi mcu ------ 單片機仿真；FPGA、PLD，CPLD等仿真；通信系統(tǒng)分析與設(shè)計的模塊；PCB設(shè)計模塊：

22、直觀、層板32層、快速自動布線、強制向量和密度直方圖；自動布線模塊等</p><p>　　仿真的內(nèi)容：器件建模及仿真；電路的構(gòu)建及仿真；系統(tǒng)的組成及仿真；儀表儀器原理及制造仿真等</p><p>　　4.2 電路仿真得到的波形圖</p><p>　　圖4-1 仿真得到的正弦波的波形圖</p><p>　　圖4-2 仿真得到的正弦波-方波轉(zhuǎn)換電

23、路的輸入和輸出波形</p><p>　　圖4-3 積分器的輸入與輸出波形</p><p>　　5 函數(shù)信號發(fā)生器實物的制作與調(diào)試</p><p>　　在Multisim仿真的基礎(chǔ)上，我們根據(jù)仿真的電路圖購買制作實物所需要的元器件，有些不能買到的元器件我們用相關(guān)的性能接近的元器件代替：如20K電位器用的是100K電位器代替的，而1N4001的二極管用的也是1N4007

24、的二極管來代替，6K的電阻用的是12K的電阻并聯(lián)構(gòu)成等等。</p><p>　　一開始我們直接根據(jù)仿真的電路圖來布置排版，結(jié)果由于運算放大器用的是LM324，其中包含4個運算放大器的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致用了三個LM324，造成元器件的浪費；另外加上我們這個學(xué)期沒有電工實習(xí)，所以在焊接實物的過程中頻頻出錯導(dǎo)致部分元器件的浪費。</p><p>　　焊接好的第一個電路板，拿到實驗室進(jìn)行調(diào)試的時候只能產(chǎn)生

25、一些鋸齒波，無論怎樣調(diào)試都得不到理想的結(jié)果。</p><p>　　第二次，我們吸收上一次的教訓(xùn)，首先利用Protel畫好電路板上的元器件分布排版圖，如下圖5-1所示</p><p>　　圖5-1 利用Protel畫出的排版圖</p><p>　　我們根據(jù)該排版圖再次焊接一個電路板，借鑒于第一次焊接電路板的經(jīng)驗，第二次焊接電路板時要順手一些，不過畢竟我們焊接電路板的基

26、本功還沒有到家，所以最后大功告成之后拿著第二個電路板拿到實驗室去調(diào)試時，結(jié)果還是一無所獲。迫于時間的限制和最近考試接踵而至，所以我們這組只好放棄實物的再次制作。望老師理解。</p><p><b>　　6心得體會</b></p><p>　　緊張的模擬電子技術(shù)課程設(shè)計終于快告一段落了，回顧這近十幾天的歷程，從開始時滿富盛激情到最后汗水背后的復(fù)雜心情，點點滴滴無不令我回

27、味無長。</p><p>　　從開始拿到課題，到本周五就要進(jìn)行答辯，突然覺得很多事情真的不是自己能夠掌握的。對于從未接觸過仿真軟件、理論知識掌握的也不是很牢靠的我來說，著實是一項非常艱巨的任務(wù)，但我還是欣然接受了這次“挑戰(zhàn)”，畢竟不是自己一個人孤軍奮戰(zhàn)，還有同組者在身邊鼓勵和支持著自己，大家一起齊心協(xié)力堅持到最后。</p><p>　　看似簡單的課設(shè)，在我們動手操作起來卻感覺十分吃力。第一

28、次接觸仿真軟件Multisim的我們花了不少力氣進(jìn)行初步的電路設(shè)計和仿真。從電路圖的設(shè)計，到參數(shù)的計算，再到波形的仿真調(diào)試，每一項都需要不斷修改才能符合要求，其間不乏抱怨與泄氣。但是每當(dāng)波形出現(xiàn)且符合要求時那喜悅與激動，讓我們充滿成就感，也激勵著我們繼續(xù)下去。這就是團結(jié)的力量。(*^__^*) 嘻嘻</p><p>　　平時看課本時，有時問題老是弄不懂，做完課程設(shè)計，那些問題就迎刃而解了。而且還可以記住很多東西。

29、比如三極管輸出波形失真原因，平時看課本，這次看了，下次就忘了。通過動手實踐讓我們對各個元件映象深刻。認(rèn)識來源于實踐，實踐是認(rèn)識的動力和最終目的，實踐是檢驗真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。所以這次課程設(shè)計對我們的作用是非常大的。不緊加強了我們動手、思考和解決問題的能力，同時也加深了我們對理論知識的掌握。</p><p>　　當(dāng)然課設(shè)也并非一帆風(fēng)順，過程曲折可謂一語難盡。在此期間我也失落過，也曾一度熱情高漲。當(dāng)我們辛辛苦苦焊接好的電

30、路板成為“廢品”時，心中充滿失落與抱怨。生活就是這樣，汗水預(yù)示著結(jié)果也見證著收獲。我想說，課程設(shè)計確實有些辛苦，這些天不是坐在電腦面前研究仿真的電路就是坐在實際的元器件面前焊接電路板。但苦中也有樂，在如今單一的理論學(xué)習(xí)中，很少有機會能有實踐的機會，而這次課設(shè)正好給了我們一次機會。同學(xué)間的相互幫助也增進(jìn)了我們的情誼!!!我想說，確實很累，但當(dāng)我們看到自己所做的成果時，心中也不免產(chǎn)生興奮!~雖然最后我們的實物還是成為了失敗之作！</p

31、><p>　　此次課程設(shè)計，學(xué)到了很多課內(nèi)學(xué)不到的東西，比如獨立思考解決問題，出現(xiàn)差錯的隨機應(yīng)變，虛心請教他人，都受益非淺，今后的制作應(yīng)該更輕松，知識上的收獲重要，精神上的豐收更加可喜。挫折是一份財富，經(jīng)歷是一份擁有。這次實習(xí)必將成為我人生旅途上一個非常美好的回憶!而這次經(jīng)歷將成為一筆寶貴的財富!</p><p>　　這次課程設(shè)計終于順利完成了，在設(shè)計中遇到了很多專業(yè)知識問題，最后在老師的辛勤

32、指導(dǎo)下，終于游逆而解。同時，在老師的身上我們學(xué)也到很多實用的知識，在次我們表示感謝!同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W(xué)和各位指導(dǎo)老師再次表示忠心的感謝! </p><p><b>　　7元器件列表</b></p><p>　　最后歸納一下這次課程設(shè)計中所有使用的元器件，

33、如表7-1所示：</p><p>　　表7-1 元器件清單</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】舒慶瑩.電子技術(shù)基礎(chǔ)實驗（模擬部分）。武漢：武漢理工大學(xué)出版社.2008.9</p><p>　　【2】蔡元宇. 電路及磁路(第2 版) [M] . 北京:高等教育出版社,2000. 5.&

34、lt;/p><p>　　【3】吳友宇.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：清華大學(xué)出版社.2009.5</p><p>　　【4】Rayender Goyal. High-frepuency Analog Integrated Circuit Design. New York:John Wiley &Sons.Inc,1995.</p><p>　　【5】吉永淳(日本)編