实用信号源的设计和制作

1、实用信号源的设计和制作实用信号源的设计和制作目 录第 1 章 设计任务书 .11.1 任务 .11.2 要求 .1第 2 章 总体方案设计 .22.1 本设计总体方案 .22.2 正弦波信号生成方案 .22.2.1 振荡信号的生成方法 .32.2.2 RC 振荡原理与振荡条件 .32.2.3 振荡电路的稳幅方法 .52.3 频率步进方案 .6第 3 章 电路设计和仿真分析 .83.1 RC 振荡与稳幅电路设计 .83.1.1 电路参数计算 .83.1.2 电路仿真与分析 .103.2 正弦波调幅电路设计 .113.2.1 电路参数计算 .113.2.2 电路仿真与分析 .123.3 脉冲波生成

2、电路设计 .133.3.1 电路参数计算 .133.3.2 电路仿真与分析 .143.4 频率计的设计 .18第 4 章 设计总结 .20参考文献 .21附录 仿真电路图 .22附录 10MHZ 频率计.231第 1 章 设计任务书1.1 任务在给定15V 电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。1.2 要求1基本要求（1）正弦波信号源 信号频率：20Hz20kHz 步进调整，步长为 5Hz 频率稳定度：优于 10-4 非线性失真系数3%（2）脉冲波信号源 信号频率：20Hz20kHz 步进调整，步长为 5Hz 上升时间和下降时间：1s 平顶斜降：5% 脉冲占空比：2%98%步进可

3、调，步长为 2%（3）上述两个信号源公共要求 频率可预置。 在负载为 600 时，输出幅度为 3V。 完成 5 位频率的数字显示。2发挥部分（1）正弦波和脉冲波频率步长改为 1Hz。（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为 100mV3V，步长为100mV。（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为 1Hz。（4）降低正弦波非线性失真系数。2第 2 章 总体方案设计2.1 本设计总体方案由于对可编程器件等知识掌握有限，本设计采用采用分立元件实现方案一：如图2.1所示。频率产生单元三角波正弦波方波图 2.1 信号输出方案一方案二：如图2.2所示。图 2.2 信号输出方案二考虑电路结构和实现

4、方便，拟采用方案二。系统总体框图如图 2.3 所示。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、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。频率产生单元由振荡电路和电压放大电路构成，能够产生频率可调的正弦波信号，正弦波信号的幅度调整后经电压比较器和脉冲调幅电路输出要求的脉冲波。图 2.3 系统总体框图2.2 正弦波信号生成方案信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率设置精度、相位噪声、信号振荡电路稳幅电路正弦波调幅电路电压比较电路脉冲调幅电路正弦波脉冲波频率产生单元正弦波方波3频谱纯度是信号发生器性能的重要指标，都与频率产生单元有关，在本设计中频率产生单元首先生成正弦波信号，正弦波信号的频

5、率大小直接影响后面脉冲波信号的步进，因此正弦波信号的产生方法十分重要。正弦波信号的生成包括振荡和稳幅两个过程。2.2.1 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

6、振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，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。2.2.2 RC 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

7、断一个电路是否为正弦波振荡器，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 2.4 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。4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

8、作用，此时输出电压频率为 （2-1）RCfo21图 2.4 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。 （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）FA1

9、FA1FA1FA1FA52.2.3 振荡电路的稳幅方法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益3A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

10、Au 值较大满足，很快振荡建立。3A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2.5 二极管稳幅电路及原理图2.5（a） 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

11、的方便，设计中采用二极管稳幅方法。RfRCCRuoR1VD1VD2(a) IUOABDC(b) -62.3 频率步进方案若要实现输出的信号频率范围为 20Hz20KHz，频率步进为 5Hz，可以使用键盘或开关输入的方式，在这里为了调试方便，保证实验的精确性并且实现频率的细微调整，尤其是 10KHz 以上频率的微调，将频率按照 10 倍频程分为 3 段：20200200020KHz，每个频段的 RC 振荡电容分别为0.1F、0.01F、0.001F，由拨码开关 J1 实现电容的接入。设 RC 振荡电路串、并支路的电阻分别为和，电容分别为和。若1R2R1C2CR1 =R2=R，C1=C2=C，则电

12、路的振荡频率为 （3-1）RCf210设频率由步进到，步长为 5Hz，则电阻 R 的变化量为1f2f （3-2）)11(2121ffCR在不同频段（C 为不同值）时电阻 R 的取值和变化见表 2-1。表 2-1 频率变化与电容、电阻的关系频率范围频率（Hz）电阻 R（）频率增加 5Hz 时电阻的变化（）2080K15.924K5031.85K2.9K10015.924K760C=0.1F频率：20200Hz2007.962K204频率范围频率（Hz）电阻 R（）频率增加 5Hz 时电阻的变化（）20080K1.942K50031.85K3151K15.924K80C=0.01F频率：2002K

13、Hz2K7.962K20频率范围频率（Hz）电阻 R（）频率增加 5Hz 时电阻的变化（）2K80K1985K31.85K3210K15.924K8C=0.001F频率：2K20KHz20K7.962K2 通过上面的分析计算知在不同的频段，当频率 5Hz 步进时，电阻 R 的变化不7同，大到十几 K，小到几，由于精度所限，大多数双联电位器的精度为 5%，因此为实现频率的微小步进，应将电阻分档，实现频率由粗调到微调的细化。调频时，首先调节 100K的双联电位器，再逐级调节 10 K、1 K、100、20的电位器，这样可实现频率 5Hz 步进。8第 3 章 电路设计和仿真分析本设计采用的设计方案为

14、 RC 文氏桥振荡-稳幅振荡-正弦波调幅-电压比较-脉冲波调幅-整形。3.1 RC 振荡与稳幅电路设计3.1.1 电路参数计算图 3.1 为 RC 文氏桥振荡与稳幅电路。设计上采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段和步进。9R115.1k?R101100k?Key=A50%R10210k?Key=A50%R1031k?Key=A50%R104100?Key=A50%R10520?Key=A50%1nF10nF100nF2.7k?9.1k?1N41481N4148VEE-15VVCC15VR215.1k?R201100k?Key=A50%R20210k?Key=A50%R2031k?Key

15、=A50%R204100?Key=A50%R20520?Key=A50%1nF10nF100nFR2410k?Key=A 50%R2310k?R2010k?VCC 15VVCCVEE-15VVEEU1ATL082CDVCCVEE10k?Key=A50%图 3.1 RC 振荡电路103.1.2 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。首先创建实验电路。运行 Multisim11.0 软件进入主窗口，将原理图中的所有元件和仪器从元件库中调出并设置好参数，编辑电路如图 3.1，图中电路符号均采用北美标准（ANSI）。加上示波器和频率计，图 3.1

16、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 Vb 接在示波器的 Channel B 和频率计上。打开示波器面板，将 Time base 设置为 200s/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，逐级调节双联电位器，直到波形无明显失真并满足频率要求。图 3.2 C=0.01F， R=55.56K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，频率的稳定度很好。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

17、的波形。 图 3.2 C=0.01F 时 R=55.56K时的稳幅图形11 图 3.3 C=0.01F 时 R=55.56K时的频率计的输出调节 1K的电位器的值，可实现频率步进，如图 3.4 所示，可见可以实现 5Hz的步进。图 3.4 C=0.01F 时 R= R=55.56K时的频率计的输出3.2 正弦波调幅电路设计3.2.1 电路参数计算正弦波调幅电路如图 3.5 所示。12R75.1kR63kJ3Key = A C8100nF0R810k25R125.1k0R1410kKey=A 50%R131kKey=A50%27C9100nFR16000U1BTL082CD564872426VE

18、E-15VVEEVCC15VVCC图 3.5 正弦波调幅电路为实现 300mv3v 的输出要求，在稳幅电路后设计了分压电路，分压后的输出电压 Vc 为： (3-3)VbVbRRRVc7 . 21676该分压电路由开关 J3 控制其接入电路，当稳幅电路输出的电压较大时，按下开关 J3，接入分压电路，降低 Vc 后，再由后面的调幅电路调整输出信号的幅度。在运放 TL082 的负反馈支路中设置了幅度粗调电位器 R14 和细调电位器 R13，可实现输出电压的精确调整。3.2.2 电路仿真与分析先调节幅度粗调电位器 R14，再调节细调电位器 R13 ，在 R 为 600 时，可精确实现输出幅度为 3V。

19、图 3.6 所示为 R=600时经调幅后的仿真图形13图 3.6 R=600时经调幅后的仿真图形3.3 脉冲波生成电路设计3.3.1 电路参数计算脉冲波生成电路图如图 3.7 所示。其中第一个运放是电压比较器，其输出电压为正弦波调幅电路的输出电压 Vd 与 Ve 比较的结果，当 Vd 大于 Ve 时，运放输出满幅值+15V，当 Vd 小于 Ve 时，运放输出-15V。电位器 R24 用于调整比较电压 Ve 的大小，以便改变输出脉冲波的占空比。 (3-4)VVKRRVe5130302024第二个运放用来调节脉冲波的幅度，与正弦波幅度的调节方法相似。14图 3.7 脉冲波生成电路3.3.2 电路仿

20、真与分析当 R24=5K时，占空比为 50%，仿真图形如图 3.8 所示，上升时间为 3.766，下降时间为 3.766，与实验要求的 1有差距，若在输出信号后加上触发sss电路整形，则波形会更理想，由于时间问题，这里暂不做调整。15图 3.8 当 R24=5K时，占空比为 50%的仿真图形改变 R24 的值，占空比发生变化，如图 3.9 所示。16图 3.9 改变占空比仿真图形当 R=600时，经过调幅电路，通过调节 R19 和 R25，可基本实现输出幅度为 3V 的要求，如图 3.10 所示17图 3.10 R=600时经调幅后的仿真图形经比较两个频率计的读数，频率稳定度为 100%，如图

21、 3.11 和 3.12 所示18图 3.11 正弦波信号输出频率图 3.12 方波信号输出频率3.4 频率计的设计因为时间紧迫，对于频率的测量使用的是 Multisim 本身带的频率计，如图3.13 是我根据相关教程仿真的 10MHZ 频率计，不只是软件自身的 BUG 还是电路本身的问题，对于频率的测量不能精确完成，有待进一步的完善。19DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB

22、12OG14EL5BI4LT374LS374N1D32D43D74D85D136D147D178D18OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q1974LS374N1D32D43D74D85D136D147D178D18OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3RPACK 7A B C D E F GCKRPACK 7RPACK 7A B C D E F GCKRPACK 7A B C D E F GCKA B C D E F GCK100 H

23、z 5 V OR25V74LS74N1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4OR2Vi信 信 信 信信 信 信 信 信 信74LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK2

24、DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT374LS374N1D32D43D74D85D136D147D178D18OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q1974LS374N1D32D43D74D85D136D147D178D18OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19RPACK 7A B C

25、 D E F GCKRPACK 7A B C D E F GCKRPACK 7A B C D E F GCK74LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK27DA7DB7DC7DDELBILT6DA6DB6DC6DDELBILT5DA5DB5DC5DD4DA4DB4DC4DD3DA3DB3DC

26、3DD2DA2DB2DC2DD1DA1DB1DC1DDELBILTELBILTELBILTELBILTELBILTCLKCLKCLKCLK1DD1DC1DB1DA2DD2DC2DB2DA3DD3DC3DB3DA4DD4DC4DB4DA5DD5DC5DB5DA6DD6DC6DB6DA7DD7DC7DB7DA7QA7QB7QC7QD6QA6QB6QC6QD5QA5QB5QC5QD4QA4QB4QC4QD3QA3QB3QC3QD2QA2QB2QC2QD1QA1QB1QC1QD7QD7QB6QB6QD5QB5QD4QB4QD3QB3QD2QB2QD1QB1QDOCOCOCOCOC7QA7QB7QC7Q

27、D6QA6QB6QC6QD5QA5QB5QC5QD4QA4QB4QC4QD3QA3QB3QC3QD2QA2QB2QC2QD1QA1QB1QC1QD10V5kKey = A LM311HB/STBVS+GNDBALVS-234871565k5k-10V0.2 Vrms 10kHz 0 BILTELCLK20第 4 章 设计总结本次设计从电路原理图设计、参数计算再到仿真，虽然没有经过实际电路的操作，但我从中受益匪浅，通过这个过程使我对学过的知识有了更深一步的理解，并且更加熟练地掌握了Multisim的用法，扩展了我的知识面， 在这里，我要感谢老师给我这个机会，尽管不知结果如何，但这其中的过程已经让

28、我很知足。21参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分M.5 版.北京：高等教育出版社，2006：454466 2 蒋卓勤，邓玉元Multisim 2001 及其在电子设计中的应用M西安：电子科技大学出版社，20031421443 田逸一种利用EDA 技术快速理解RC 桥式正弦波振荡电路的教学方法J重庆职业技术学院学报，2008，14(2)：64654 朱兆优,林刚勇,马善农,等. 电子电路设计技术M . 北京:国防工业出版社，20075 杨建军. DDS + PLL 组合系统及实例J . 电讯技术，2009，41 (1) :72274. 6 杨名利, 谢玮, 徐继文 . 简易低频信号发生器设

29、计J. 机床与液压.1995,11(6):17-28.22附录 仿真电路图221231ooUUR115.1kR101100kKey=A0%R10210kKey=A0%R1031kKey=A60%R104100Key=A0%R10520Key=A0%12345J16C11nFC210nFC3100nF789R32.7kR49.1kD11N4148D21N414810VEE-15VVCC15VR215.1kR201100kKey=A0%R20210kKey=A0%R2031kKey=A60%R204100Key=A0%R20520Key=A0%1716151413C41nFC510nFC6100n

30、FJ2201922XSC1ABExt Trig+_+_18R75.1kR63kJ3Key = A C8100nF0R810k25R125.1k0R1410kKey=A 30%R131kKey=A20%27XFC1123R1610kR2410kKey=A0%R2310k30R2010kVCC 15VVCCR910kR2510kKey=A 50%R191kKey=A50%32R176000R185.1k0XSC2ABExt Trig+_+_XSC3ABExt Trig+_+_XFC2123XSC4ABExt Trig+_+_37C9100nFR16000VEE-15VVEEU1ATL082CD32

31、48123VCCVEE21U1BTL082CD564872426U3ATL082CD324813336VCC 15VVCC4128VEE-15VVEEU2ATL082CD324813511VCC15VVEE-15VVCCVEEVEE-15VVEEVCC15VVCCR210kKey=A45%12029031023附录 10MHZ 频率计221231ooUUDA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF1

32、5OC11OB12OG14EL5BI4LT374LS374N1D32D43D74D85D136D147D178D18OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q1974LS374N1D32D43D74D85D136D147D178D18OC1CLK111Q22Q53Q64Q95Q126Q157Q168Q19DA7DB1DC2DD6OA13OD10OE9OF15OC11OB12OG14EL5BI4LT3RPACK 7A B C D E F GCKRPACK 7RPACK 7A B C D E F GCKRPACK 7A B C D E F GCKA B C D E F GCK100 Hz 5 V OR25V74LS74N1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4OR2Vi信 信 信 信信 信 信 信 信 信74LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB13QC12QD11RCO15A3B4C5D6ENP7ENT10LOAD9CLR1CLK274LS161NQA14QB1