模电实验报告

1、 模拟电子技术课程设计报告模拟电子技术课程设计报告 设计题目 频率琴的设计与制作授课教师 张秀梅 学生姓名 韩飞 、张玉帅、周凯 学 号 201300802004、201380802001 201300802101 专 业 13 电子信息工程本科 教学单位 物理与电子信息学院 完成时间 2015 年 1 月 5 日摘 要信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验室中经常使用的电子仪器之一。本文采用分立元器件设计了可输出正弦波的电子琴，介绍了信号发生器的工作原理、电路参数计算方法、电路仿真结果，并进行了电路制作。所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电

2、路组成。采用 RC 振荡方式产生振荡信号，通过二极管 IN4148 和运放 UA741cp 实现振荡信号稳幅，调幅之后输出正弦波信号。采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段。本文设计的频率琴是通过改变RC选频网络的参数来实现频率的变化，具有结构简单、成本低、体积小等特点，经仿真和实际电路制作验证，其产生的正弦波。关键词：电子琴；信号发生器；RC 震荡；选频网络目 录第 1 章 绪论 .11.1 信号发生器的应用 .11.2 信号发生器的分类 .21.3 设计任务及主要技术指标 .4第 2 章 总体方案设计.52.1 信号发生器的实现方法 .52.2 本设计总体方案 .62.3 正弦波信号

3、生成方案 .72.3.1 振荡信号的生成方法 .72.3.2 RC 振荡原理与振荡条件 .72.4 频率方案 .10第 3 章 电路设计和仿真分析.123.1 RC 振荡与稳幅电路设计.123.1.1 电路参数计算 .123.1.2 电路仿真与分析 .133.2 正弦波调幅电路设计 .143.2.1 电路参数计算 .14第 4 章 电路的制作和测试结果.184.1 电路的制作 .184.2 测试结果 .18第 5 章 课程设计总结.20参考文献 .21第一章 绪论1.1 信号发生器的应用信号发生器又称信号源或振荡器，是教学科研及工程实践中最重要的仪器之一，可广泛应用在电子研发、维修、测量、校准

4、等领域。信号发生器所产生的信号在电路中常常用来代替前端电路的实际信号，为后端电路提供一个理想信号。由于信号源信号的特征参数均可人为设定，所以可以方便地模拟各种情况下不同特性的信号，对于产品研发和电路实验特别有用。在电路测试中，我们可以通过测量、对比输入和输出信号，来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计要求。例如，用信号发生器产生一个频率为1kHz 的正弦波信号，输入到一个被测的信号处理电路（功能为正弦波输入、方波输出） ，在被测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。信号发生器可以用来查找电台、对讲机的接收通道故障。其基本原理是：由前级往后级，逐一测量接收通路中每一级放大和

5、滤波器，找出哪一级放大电路没有达到设计应有的放大量或者哪一级滤波电路衰减过大。信号发生器在此扮演的是标准信号源的角色。信号源在对讲机天线输入端输入一个已知幅度的信号，然后通过超高频电压表或者频率足够高的示波器，从天线输入端口逐级测量增益情况，找出增益异常的单元，再进一步细查，最后确诊存在故障的零部件。信号发生器可以用来调测滤波器，典型的就是带通滤波器和电台上用的双工器。调测滤波器的理想仪器二字线网络分析仪和扫频仪，其主要功能部件之一就是信号发生器。在没有这些高级仪器的情况下，信号发生器配合高频电压测量工具，如超高频毫伏表、频率足够高的示波器、测量接收机等，也能勉强调试滤波器，其基本原理是测量滤

6、波器带通频段内外对信号的衰减情况。信号发生器在此扮演的是标准信号源的角色，信号发生器产生一个相对比较强的已知频率和幅度信号，从滤波器或者双工器的 INPUT 端输入，测量输出端信号衰减情况。带通滤波器要求带内衰减尽量小，带外衰减尽量大，而陷波器正好相反，陷波频点衰减越大越好。因为普通的信号发生器都是固定单点频率发射的，所以调测滤波器需要采用多个测试点来“统调” 。如果有扫频信号源和配套的频谱仪，就能图示化地看到滤波器的全面频率特性，调试起来极为方便。信号发生器可以用来校准对讲机和接收机的信号强度表，信号发生器在此扮演的是标准信号源的角色。按照各机型的维修手册要求，在校准频点输入特定强度的信号，

7、此时校正 S 信号强度表的实际指示。在实际调整中，我们可以看到，虽然国际上有接收机 S 信号表指示的参考场强标准，但现在很多厂家都执行自家的标准，使 S 表指示偏大而指示范围偏小，给用户的感觉就是 S 表指示很容易满表，暗示用户它的接收灵敏度高。信号发生器用于音频功放的维修。信号发生器在此扮演的是理想信号源的角色。信号源产生一个适当幅度的音频正弦信号，作为音频功放的信号输入。通过测量音频功放的输出幅度和波形,我们可以判断音频功放电路工作是否基本正常，包括是否有自激等不正常状态以及失真情况。1.2 信号发生器的分类1. 按工作频段分类分为超低频信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器、微波信号

8、发生器。超低频信号发生器一般是指工作频率下潜到 0.1Hz 以下的信号发生器，一般用于专业上的特殊用途。低频信号发生器一般是指工作频率主要在 1Hz1MHz 的信号发生器，多用于音频领域。高频信号发生器，也叫射频信号发生器，一般是指工作频率从 100kHz 到几百兆赫的信号发生器（目前频率高的可以达到几吉赫兹） ，多用于通信和测量领域。微波信号发生器一般是指工作频率高达数吉赫兹到几十吉赫兹的信号发生器，多用于雷达领域。随着频率合成技术和电路的发展，很多信号发生器都可提供更大的频率覆盖范围，一机多能，频段的划分渐渐成为一个模糊的观念。例如常用的Agilent 33250A 函数发生器就可以工作在

9、 1Hz80MHz 的范围，包含传统的超低频、低频、音频和 HF 频段。2. 按频率产生机制分类分为 LC 振荡器信号发生器、压控振荡信号发生器、频率合成信号发生器。目前低端的廉价信号发生器多采用 LC 振荡器，中低端的函数信号发生器多采用压控振荡器，中高档的信号发生器多采用 DDS 频率直接合成技术。随着 DDS 技术的普及和芯片价格的下降，越来越多的信号发生器采用 DDS 技术，并有向入门级产品发展的趋势。近期，很多一两千元的函数信号发生器也开始使用 DDS技术。3. 按功率输出分类分为简易信号发生器、标准信号发生器、功率信号发生器。简易信号发生器在信号输出幅度控制上比较简单，只使用一个简

10、易衰减器，对输出的信号不能直接量化控制。标准信号发生器在信号输出幅度上有严格的控制，能提供准确的输出幅度读数。一般高频标准信号发生器输出幅度在 -127+23dBm。功率信号发生器则提供较大的功率输出，一般在+20dBm 以上，功率大的可达几瓦到几十瓦。4. 按照产生信号的类型分类可以分为正弦信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器、随机信号发生器、专用信号发生器。正弦信号发生器提供最基本的正弦波信号，可以作为参考频率和参考幅度信号，用于增益和灵敏度的测量以及仪器的校准。常见的高频信号发生器和标准信号发生器都属于此类。函数信号发生器可以产生各种函数波形信号，典型的有方波、正弦波、三角波、锯齿

11、波、脉冲等。函数信号发生器一般工作频率不高，频率上限在几兆赫到一二十兆赫，频率下限很低，大多可以低于0.1Hz。函数信号发生器用途非常广泛，科学实验、产品研发、生产维修、IC芯片测试中都能见到它的身影。脉冲信号发生器和随机信号发生器多用于专业场合。专用信号发生器是产生特定制式信号的专用仪器，如常见的电视信号发生器、立体声信号发生器等。高端信号发生器有矢量信号源、基带信号源，主要应用在航空、国防等尖端领域，价格也非常昂贵。1.3 设计任务及主要技术指标 正弦波信号源：2020kHz 可调幅值 1-3V 连续可调非线性失真系数5%脉冲波信号源：2020kHz 可调幅值 1-3V 连续可调脉冲占空比

12、可调第 2 章 总体方案设计2.1 信号发生器的实现方法 信号发生器的实现方法通常有以下几种：1. 采用分立元件实现以集成运算放大器为应用核心，通过添加外围器件使之形成运算、正反馈电路，并满足振荡条件，产生一定的波形。此方法多作为单函数发生器，体积较大，频率不高，其工作很不稳定，故障率较高且不易调试。2. 采用专用信号发生器芯片实现早期的函数信号发生器 IC，如 L8038、BA205、XR2207/2209 等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有 300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。3. 用单片集成芯片的函数发生器实现该类函数

13、发生器可产生较高的频率、信号调试方便的各种波形。在该类函数发生器中美国马克西姆公司开发的 MAX038 函数信号发生器优势明显，它克服了一般芯片的缺点，可以达到更高的技术指标。作为高频精密函数信生器 IC， MAX038 精度和频率很高，所以常用在频率合成器、压控振荡器、脉宽调制器等电路的设计上，还有其他的方法作为信号发生器，再次不在罗列。2.2 本设计总体方案本系统要求对应音符的精确的频率值，以下两种方案可供选择。方案一：采用单片机DA模块产生，输出可调频的正弦波。 方案二：采用文氏 RC 振荡电路，采用固定的电位器和固定值的电容利用电阻的串并联来实现参数的选定。为了达到课程设计要求，运用所

14、学过的电路知识搭建了电路，故采用方案二。2.3 正弦波信号生成方案2.3.1 振荡信号的生成方法振荡信号可以由三种形式的振荡器产生。1. LC 振荡器这种振荡器，由于LC 体积大、频率变化范围小、品质因数Q 值较小，故一般不太适合用于低频信号振荡器，而在一般高频信号振荡器中使用较多。2. 差频振荡器由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号，此差频信号经过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。这种振荡器频率覆盖面宽，缺点是受高频基准振荡器频率稳定度的影响很大，所以输出频率稳定性较差，在低频端尤为显著，使用时需要经常校正。3. RC振荡器RC 振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，

15、不仅降低了成本，而且还具有较高的频率稳定性，调节使用较方便，因而在低频信号发生器中被广泛地应用。典型的RC 振荡器叫做文氏电桥振荡器。文氏电桥振荡器的优点是在同一频段内比LC 振荡器的频率范围宽，其频率变化比值（ 以最高频率与最低频率之比表示）可达101，而LC 振荡器只有31左右。振荡波形是正弦波，失真小。频率稳定性高，在所有工作频率范围内，振幅几乎等于常数。低频信号发生器中多采用这种电路。因此设计中采用RC 振荡器产生正弦振荡信号。图见第三章电路设计和仿真分析2.3.2RC 振荡原理与振荡条件正弦波产生电路一般应放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路几个基本组成部分。判断一个电路是否为正弦

16、波振荡器，就看其组成是否含有上述四个部分。 1. RC 桥式振荡电路的构成RC 桥式振荡电路如图 2.5 所示。RC 串并联网络接在运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外 Rf、R1 接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路。由图 2.5可见，正反馈电路与负反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以把这种振荡电路称为 RC 桥式振荡电路。可见,当 =0=1/RC 时，达到最大值且等于 1/3, 而相移 =0，输出fUoU电压与输入电压同相，所以 RC 串并联网络具有选频作用，此时输出电压频率为

17、 （2-1）RCfo21图 2.5 RC 桥式振荡电路2. 正弦振荡条件 判断正弦振荡的一般方法是：（1）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有可能振荡；（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。 FA（3）分析是否满足幅度条件, 检验 ，若 ，则不可能振荡； ，能振荡，但输出波形明显失真； ，产生振荡。振荡稳定后 ，再加上稳幅措施，振荡稳定，而且输出波形失真小。 对于图 2.5，输入信号由同相端输入（即振荡信号由此输入） ，根据虚短、虚断可求得负反馈闭环电压放大倍数为： （2-2）振幅条件： （2-3）相位起振： （2-4）1.1.1 振荡电路的稳幅

18、方法1）热敏电阻稳幅RC 桥式振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻 Rf 实现的。Rf 是负温度系数热敏电阻，当输出电压升高，Rf 上所加的电压升高，即温度升高，Rf 的阻值减小，负反馈增强，输出幅度下降，反之输出幅度增加。若热敏电阻是负温度系数，应放置在 R1 的位置。若该电路 Rf 为一固定电阻, 放大器 Au 为常数。起振时：则要求3A振荡平衡：则要求，只有当运算放大器进入非线性工作区才能使增3A益下降达到平衡条件,从而产生严重失真现象。若该电路 RF 为一负温度系数的热敏电阻起振时：由于信号较弱，热敏电阻 RF 处于冷态,阻值比较大，放大器 Au 值较大满足，很快振荡建立。3A1FA1FA1

19、FA1FA振荡平衡：随信号增强,热敏电阻 RF 温度升高,阻值减小，放大器 Au 值自动下降,在运算放大器还末进入非线性工作区时,达到平衡条件。3A2）二极管稳幅图2.6 二极管稳幅电路及原理图1 中二极管VD1 和VD2 用以改善输出电压波形，稳定输出幅度。起振时，由于集成运放的输出电压很低，VD1 和VD2 接近于开路，负反馈并联电路的等效电阻近似等于Rf， AF 1，电路产生振荡随着集成运放输出电压的增大，当Rf上的分压超过二极管的正向导通电压时，流过Rf上的电流被分流，负反馈支路的反馈系数增大，迫使AF逐渐等于1，最终电路进入稳幅工作状态。考虑到调试的方便，设计中采用二极管稳幅方法。2

20、.4 频率方案由于要求输出的信号频率为 C 调音符对应的频率，为实现频率的细微调整，以及电路的设计方便在这里采用了固定电容，改变电位器的方法，实现频率的调整,电路详细参数见下表。RfRCCRuoR1VD1VD2(a) IUOABDC(b) 第 3 章 电路设计和仿真分析3.1 RC 振荡与稳幅电路设计3.1.1 电路参数计算图 3.13.1.2 电路仿真与分析下面以 Multisim11.0 为工作平台，分析 RC 桥式正弦波振荡电路。加上示波器和频率计，图 3.1 中 RC 文氏桥输出的电压接在示波器的 Channel A，稳幅电路的输出信号接在示波器的 Channel B 和频率计上。打开

21、示波器面板，将 Time base 设置为 5 ms/DIV，显示方式设置为 Y/T，Channel A 和 Channel B 设置为 5 V/DIV。启动仿真开关后，若振荡没有建立，逐级调节拨码开关，实现音符（07）对应的频率。图 3.2 为音符 Do 对应的频率图形，此时 C=10nF，R=30.43K。图 3.2 中振幅较大的是集成运放输出电压 Vb 的波形，振幅较小的是集成运放同相输入端电压 Va 的波形。图 3.3、3.4 分别是 C=0.01F；R=35.1K时的正弦波稳幅输出图形和频率计的输出值，此时频率为 452Hz，频率的图 3.1 C=10nf R=30.43k图 3.2 C=10nf R=30.43k图 3.3 C=10nF R=16.10K时的频率计的输出 图 3.4 C=10nF 时 R=16.K时的频率计的输出3.2 正弦波调幅电路设计3.2.1 电路参数计算经仿真分析知，稳幅电路输出的电压在之间波动，为实现 300mv3v 的输