超低频可调正弦信号发生器

1、本科生课程设计（论文）辽 宁 工 业 大 学模拟电子技术基础 课程设计（论文）题目：超低频可调正弦信号发生器院（系）： 电气工程学院 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： （签字）起止时间：2012.7.2-2012.7.15课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息教研室学 号100303108学生姓名龚北洋专业班级电气104课程设计题目超低频可调正弦信号发生器课程设计（论文）任务设计参数：1 设计并制作一台超低频可调正弦信号发生器。2 线性失真度不大于0.5%3 最低频率1HZ。设计要求：1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指

2、标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。4.组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。（1天）2、确定组成设备各个部分（2天）3、建立框图及各部分模型。（2天）4、将各部分连接，调试（2天）5、对设备进行总体调试。（2天）6、撰写、打印

3、设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要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。而超低频可调正弦信号发生器故名思议，此设备只适用于超低频的正弦信号的产生，并可实现其输出的幅值、信号可调。在设计此设备时，我们从可调、精准两方面出发，将整个设备整体电路分成RC振荡电路部分、电压放大电路部分和功率放大电路部分三个部分，由此可将设备实现我们的设计目标。关键词：可调、精确目 录绪 论10.1工作原理10.2 设备分类2

4、0.3 应用2第一章 超低频可调正弦信号发生器设计方案论证41.1超低频可调正弦信号发生器的发展和应用意义41.2 超低频可调争先信号发生器的要求及技术指标41.3 设计方案论证51.4 总体设计方案框图及分析6第二章 超低频可调正弦信号发生器个单元电路设计72.1 RC振荡电路设计72.2 电压放大电路设计92.3 功率放大电路设计9第三章 超低频可调正弦信号发生器整体电路设计113.1 整体电路及工作原理图113.2 电路参数计算123.2.1 RC振荡部分的参数设计123.2.2 稳幅二极管的选择应注意事项123.2.3 低频功率放大部分参数设计分析与测试123.3 整机电路性能分析14

5、第四章 设计总结154.1 设备调试154.1.1 调试平台154.1.2 RC振荡电路部分调试154.1.3 电压放大电路部分调试154.1.4 功率放大电路部分调试164.2 感想17参考文献18附录1 整体电路图19附录2：器件清单20绪 论一种能提供各种频率、波形和输出定评电信号，常用作测试的信号源或激励源的设备叫做信号发生器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）、脉冲信号和随机信号发生器的四大类。信号发生器又称为信号源或振荡器，在生产实践和科技领域有着广泛应用0.1工作原理信号发生器用来产生频率为20Hz200kHz的正弦信号（低频）。除具有电压输出外，有的还有功率输出。所以用途十

6、分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。低频信号发生器的原理：系统包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。 主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。右图的电路是一种不用电源的方波发生器，可供电子爱好者和实验室作简易信号源用。电路是由六反相器CD4096组成的自适应方波发生器。当输入端输入小信号正弦波时，该信号

7、分两路传输，其一路径C1、D1、D2、C2回路，完成整流倍压功能，给CD4096提供工作电源；另一路径电容C3耦合，进入CD4096的一个反相器的输入端，完成信号放大功能（反相器在小信号工作时，可作放大器用）。该放大信号经后级的门电路处理，变换成方波后经CD4096的12、8、10脚输出。输出端的R2为可调电阻，以保证输出端信号从01.25V可调。该方波发生器电路简单，制作容易，因此可利用该方波发生器电路，作市电供电的50Hz方波发生器。制作时，市电220V的正弦波，应经变压器隔离降压（10.75V）处理后，输入到电路的输入端，以保安全。0.2 设备分类正弦信号发生器：正弦信号主要用于测量电路

8、和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。 低频信号发生器：包括音频（20020000赫）和视频 （1赫10兆赫）范围的正弦波发生器。主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。高频信号发生器：频率为 100千

9、赫30兆赫的高频、30300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。主要用途是测量各种接收机的技术指标。输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。微波信号发生器：从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号

10、发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。除此之外，还有微波信号发生器，频率合成信号发生器等。本课程设计主要讨论的是超低频可调信号发生器的设计。0.3 应用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。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。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号

11、或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器第一章 超低频可调正弦信号发生器设计方案论证1.1超低频可调正弦信号发生器的发展和应用意义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。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

12、正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，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。而超低频正弦波信号发生器能够产生一定频率的和复制的正弦电压，具有电压和功率放大作用。这种信号发生器具有电路简单，性能可靠、输出信号的波形和频率值精度高、稳定性好、功耗低、操作方便的优点，它被广泛应用与广播、测量、通信的领域。普通的函数发生器能够提供正弦波、余弦波、方波、等几种常用的的标准波形，产生其他波形时，需要较复杂的电路和机电结合的方法。80年代的信号发生器采用的是模拟电子技术，由分立组件成模拟集成电路构成，其电

13、路结构复杂且仅能产生正弦波、方波等等几种简单波形，输出的波形具有良好的相位噪声、较低的寄生分量以及较快的开关速度等，但是模拟电路的漂移较大，使输出波形的幅度稳定性差而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大，价格贵、功耗大的缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器来实现输出频率的调节，因而很难将频率调到一定值，二是脉冲的占空比难以定量。1.2 超低频可调争先信号发生器的要求及技术指标设计要求：线性失真度不大于0.5%，最低频率1HZ。低频信号发生器的主要性能指标与要求： 频率范围频率范围是指各项指标都能得到保证时的输出频率范围，或称有效频率范围

14、。一般为20Hz200kHz，现在做到1HzlMHz并不困难。在有效频率范围内，频率应能连续调节。 频率准确度频率准确度是表明实际频率值与其标称频率值的相对偏离程度。一般为±3%。 频率稳定度频率稳定度是表明在一定时间间隔内，频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度或漂移。没有足够的频率稳定度，就不可能保证足够的频率准确度。另外，频率的不稳定可能使某些测试无法进行。频率稳定度分长期稳定度和短期稳定度。频率稳定度一般应比频率准确度高一至二个数量级，一般应为（0.10.4）%/小时。 非线性失真振荡波形应尽可能接近正弦波，这项特性用非线性失真系数表示，希望失真系数不超过（13）% ，有

15、时要求低至0.1% 。 输出电压输出电压须能连续或步进调节，幅度应在010V范围内连续可调。 输出功率某些低频信号发生器要求有功率输出，以提供负载所需要的功率。输出功率一般为0.55W连续可调。 输出阻抗对于需要功率输出的低频信号发生器，为了与负载完美地匹配以减小波形失真和获得最大输出功率，必须有匹配输出变压器来改变输出阻抗以获得最佳匹配。 输出形式低频信号发生器应可以平衡输出与不平衡输出。1.3 设计方案论证该电路图主要由振荡电路、电压放大器和功率放大器等几部分组成。其中振荡电路能够产生频率可调的正弦信号，为后面的电路部分提供了信号源，其次电压放大器和功率放大器分别实现了振荡电路所提供的电压

16、和其功率的放大，对由振荡电路提供的信号进行调整以达到设计要求。所以总体上该电路图能够实现超低频信号发生器的功能，并且满足了设计参数的要求。1.4 总体设计方案框图及分析振荡电路产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，用振荡电路输出调节电位器调节输出电压的大小。电压输出端的负载能力很弱，只能供给电压，故为电压输出。振荡信号再经功率放大器放大后，才能输出较大的功率。*阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗，以便获得最大的功率输。第二章 超低频可调正弦信号发生器个单元电路设计2.1 RC振荡电路设计正弦波振荡电路常由基本放大电路、反馈网络及选频网路三部分组成。其中，集成运放所组成的

17、电压串联负反馈放大电路，取其输入阻抗高和输出阻抗低的特点。而选频网络兼做正反馈放落，选频网络决定振荡频率，他可与基本放大电路结合在一起，称之为选频放大电路；或与反馈网络结合在一起，称之为反馈网络。电路图如图2-1所示：图2.1所示为RC桥式振荡器。其中RC串、并联构成正反馈支路,同时兼做选频网络，及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件并改善波形。利用两个反向并联二极管、正向电阻的非线性特性来实现稳幅。、采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周的对称。而的介入是为了削弱二极管的非线性影响以改善波形失真。电路振荡频率：要想

18、使振荡信号由弱到强逐渐建立起来，并且最终趋于稳定；开始时AV略大于3，达到稳定后，可得出自己振荡的起幅条件为AF=1。当振荡频率时，RC正反馈网络的相移为0，反馈系数最大（等于）。为了保证振荡器起振，应有：故。故起振的幅值条件式中，其频率特性为：相频特性：当振荡频率时，此时的频率响应的幅值最大，即，而且。二极管正向导通电阻。调整反馈电阻（调整），使电路起振，且波形失真最小。如不能起振，则说明反馈太强，应适当加大。如果波形失真严重，则应适当减小。改变选频网络的参数C或者R，即可以调节振荡频率；一般采用改变电容C做频率量程的切换，而调节R作为量程内的频率细调。2.2 电压放大电路设计放大倍数时反应

19、对信号的放大能力的一个参数，低频发达器的电压放大倍数是指：输入、输出电压的有效比值即。电路图如图-2.2所示。当电路使用同向比例放大器时若想调整输出幅度，只需调整即可；而使用射级偏置电路作为放大电路时，调整输出电压十分复杂，故使用同向比例放大器作为电压放大电路。2.3 功率放大电路设计功率放大器的任务是对信号进行功率放大，提供不是真且功率足够大的信号，以推动负载工作。功率放大器除了有较大的输出功率外，还应该有较高的效率。与OCL电路比较，他的最大特征时使用了单一电源供电，此外和的发射极对地不再是零电位。由于和的对称性，锁定了和发射机的静态电压为，因此静态时，电容器两端电压为。这与OCL电路也有

20、所不同。第三章 超低频可调正弦信号发生器整体电路设计3.1 整体电路及工作原理图正弦波发生电路能产生一定频率和幅度的正弦交流信号，他是一种能将直流电源能量自行转换为交流振荡能量的电路。在某些电路中，输入端不外接信号而其输出端仍有一定频率和幅度的信号输出，这种现象称为自激振荡。所以在这种电路中，自激振荡正是所需要的。因此为了使振荡器在接通电源后能自行起振，要求电路开始工作时环路增益必须满足下面的起振条件AF>1,在振荡建立的过程中，随着振幅不断增大，电路中的非线性元器件特性的限制，使得AF值逐渐下降，最后达到AF=1，即进入稳定的振荡过程。上图所示是一个电压和频率均可调的低频正弦波发生器。

21、它由运算放大器及正负两个反馈支路构成。RA、Rb及C1C8构成正反馈支路，R1、Rw构成负反馈支路，两个反馈支路结合构成RC桥式振荡。振荡频率分为三个频段：当开关S1分别置于1，2和3频段位置时，振荡频率调节范围分别为1200HZ，2002000HZ和2KHZ20KHZ。其电压放大倍数为：只要Ad稍大于3，即可满足起振幅度条件。R5两端并联了VD1和VD2二极管，其作用是稳定振荡幅度。当输出幅度因某种原因增大时，流过VD1和VD2的电流也增大，二极管的动态电阻将减小，负反馈加强，增益下降，振荡幅度自动降低。R3、R4、R5组成两个电压分压式衰减，衰减率分别为1/10和1/100；再由Rp电位器

22、连续调整，使振荡信号电压也分为00.02V，00.2V和02V三档输出。3.2 电路参数计算3.2.1 RC振荡部分的参数设计r>>R>>r。 r是集成运算放大器同相端输入电阻。r是集成运算放大器的输出电阻。计算R,C的值，根据已知条件， 则。选择电阻和，电阻和可根据2来确定，通常取=2.1，这样既能保证起振，又不致引起严重的波形失真。为了减小运算放大器输入失调及其漂移的影响，应尽量满足R=R/ 的条件.稳幅电路的作用及参数选择在实际电路中，由于元件误差、温度等外界因素的影响，振荡器往往达不到理论设计效果。因此，一般在振荡器的负反馈支路中加入自动稳幅电路，根据振荡幅度的

23、变化自动改变负反馈的强弱，达到稳幅的目的。3.2.2 稳幅二极管的选择应注意事项为保证设备能稳定运行稳幅二极管的选择应注意以下两点：为了提高电路温度稳定性，确保电路不被烧毁，应尽量选用硅管。为了保证上下振荡对称，两个二极管特性参数必须匹配。3.2.3 低频功率放大部分参数设计分析与测试由于OTL电路中三极管的实际静态电压是Vcc/2,所以在以下分析中，遇到OTL电路的对应问题，应将电源电压用Vcc/2值代入。 运放的最大输出功率 理论上可以证明：当忽略三极管饱和压降的影响是，OCL电路的最大输出功率为：作为测量参数，人们实测的是最大不失真输出平均功率，测量应该在标准条件下进行，在功率放大器的输

24、入端加入频率大于1HZ的正弦波信号，并逐渐增加的幅度，用示波器观察负载两端电压波形，直到放大器输出电压幅度最大而又不出现饱和失真为止，用毫伏表测量输入，输出电压，。则最大不失真输出平均功率为：忽略了三极管饱和压降的影响后，Vcc实际上就是Vo的最大值。因为毫伏表的读数是交流电的有效值，在实测中使用此公式比较方便。 电源供给的平均功率在直流电源上连接电压表和电流表，使之能够测量直流电源的输出电压和输出电流；再在功率放大器输入端接入频率大于1HZ的正弦波信号，用示波器观察输出波形，当输出最大而又不失真时，读取电流参数和电压参数Vcc，实际电源供给平均功率为这个功率显然包含了前级放大器的损耗，但由于

25、前级放大器损耗相对总平均损耗而言是很小的，而且前级放大器总是与功放电路紧密配合使用，故上式能够反映功率放大器的真实工作参数。若去除功率放大电路的激励级的损耗影响，功放对管电路上的理想损耗为:。 功率放大器的效率 功放的效率定义为：输出平均功率Po与电源供给平均功率的比值。 最大管耗 最大管耗指放大器在发挥最大不失真输出平均功率条件下，在输入信号一个周期内三极管消耗功率的平均值。可见，选择功放三极管时，为了能够保证三极管正常工作，要求三极管最大管耗不应超过三极管的最大允许功耗即3.3 整机电路性能分析通过设计与不断的改善，该电路能够产生满足设计要求一定频率和幅度的正弦交流信号。其中最重要的部分就

26、是振荡电路的设计，而它的信号是靠自激振荡产生的，也就是通过RC选频网络来实现的。电压放大部分实现了对输入电压的放大作用。功率放大部分对信号进行功率放大，提供不失真且功率足够大的信号，以推动负载工作。它除了具有较大的输出功率外，还有较高的效率。所以总体上来说，此电路达到了设计的要求，实现了超低频正弦信号发生器的作用。第四章 设计总结4.1 设备调试4.1.1 调试平台为了省去不必要的麻烦，在进行电路元器件安装时可以先进行虚拟电子实验（Electronics-Workbench简称EWB）,他是一种在国外高校和电子技术界广为应用的电路计算机仿真设计软件；被称作电子设计工作平台或虚拟电子实验室。4.1.2 RC振荡电路部分调试4.1.3 电压放大电路部分调试4.1.4 功率放大电路部分调试 4.2 感想通过几天来，不断的查阅文本资料以及网络资料，和自己