华科信号课设

1、电气学院信号与系统课程设计报告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 徐垦 班 级 电气1307班 姓 名 王琦 学 号 U201311970 完成日期 2014年 8 月26日 目录1 课程设计目的 22 课程设计题目描述和要求 23 概要设计 2 3.1 电路功能简介 2 3.2 电路原理设计框图 24 电路原理和参数设计分析 3 4.1 正弦波发生电路的原理和优化 3 4.2 方波发生电路的原理和优化 4 4.3 三角波发生电路的原理和优化 64.4 阶梯波发生电路的原理 7 4.5 电路参数选择及计算 105 仿真结果和分析 106 阶梯波电路的优

2、化 137 总结和体会 15参考文献 17附录一 四信号发生器仿真电路图 18附录二 阶梯波优化仿真电路图 19摘要： 随着信息时代的高速发展，信号已经成为与人们生活息息相关的事物，信号产生电路也在各行各业得到了广泛的应用。本课程设计在信号与系统、电子技术、电路理论等课程的基础上，设计信号产生电路，通过Multisim 12.0软件进行仿真，实现了四种简单信号的产生输出和优化以及信号之间的相互转换。关键词：信号发生器 信号产生与转换 仿真1 课程设计目的 学习不同信号的产生方式学习不同信号之间的转换学习用计算机画电路图 学习用软件仿真电路 学习撰写课程设计报告 2 课程设计题目描述和要求自已设

3、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Multisim、PSPICE、PROTEL或其他软件仿真。3 概要设计3.1 电路功能简介 本电路为产生正弦波、方波、三角波、阶梯波四种信号的多波形信号发生器。其中正弦波由文氏振荡电路产生，方波由正弦波变换产生，三角波以及阶梯波通过方波变换产生。由运放的性质可知将正弦波信号通过过零比较电路即可得到幅值为运放电源值的方波。另外由积分的知识可知对方波进行积分可以得到三角波，因此可以利用方波信号和积分电路构成三角波产生电路。最后相同宽度的脉冲在相同的时间间隔内不断累加

4、即可以产生阶梯波信号，单边脉冲可由方波信号滤波得到。3.2 电路原理设计框图文氏振荡电路正弦波过零比较电路方波积分电路积分累加电路三角波阶梯波图3.2.1 电路原理设计框图4 电路原理和参数设计分析4.1 正弦波发生电路的原理和优化 文氏正弦波振荡电路电路图如图4.1.1：图4.1.1 正弦波振荡电路 该电路由两部分组成，即左侧RC串并联电路构成的选频网络和右侧运放构成的比例放大电路。要使该电路产生自激振荡，必须满足相位平衡条件和幅度平衡条件，即使 且 (4.1.1) 由图4.1.1中的RC串并联电路可得正反馈增益 (4.1.2) 由(4.1.2)式可知当其分母虚部系数为零时幅频响应的幅值最大

5、，相频响应的相位角为零，满足该条件的频率为 =或 (4.1.3) 此时有和 (4.1.4) 右侧负反馈放大电路为同相比例放大电路，其增益为 (4.1.5) 故当略大于3时，电路中的频率为的微弱噪声会在正反馈电路和放大电路构成的闭环下输出幅值越来越大，最后受非线性原件限制振荡幅度自动稳定下来，达到振幅平衡条件，产生频率为的正弦波。且当远大于3时，波形会产生严重的失真。 电路中负反馈回路中串联两个并联的二极管起稳幅作用，利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时二极管动态电阻增大的特点加入非线性环节使输出电压幅值稳定。除此之外，也可以使用温敏电阻代替引入非线性环节达到稳幅的作用。 4.2 方波发

6、生电路的原理和优化 由正弦波通过过零比较电路产生方波的电路如图4.2.1：图4.2.1 方波发生电路 此电路由过零比较电路和电压跟随电路组成。由于过零比较电路产生的方波会受到后级阶梯波电路的影响而产生较大失真，本设计在过零比较电路后添加了电压跟随器电路。如图4.2.1左侧所示过零比较电路中，运放工作在开环状态，当输入电压时，输出；当输入电压时，输出电压。对接的稳压管起限幅作用，设稳压管的正向导通电压为，稳定电压为，则当输入大于0时，运放输出，工作在稳压状态，工作在正向导通状态，所以输出电压 (4.2.1)同理当输入小于0时，输出电压 (4.2.2) 故当输入电压为正弦波时，输出电压应为周期预制

7、相同相同，幅值为的方波。 如图4.2.1右侧所示电压跟随器电路实际上相当于，反馈系数F=1的同相比例放大电路，由于集成运放具有极高的增益，该电路具有极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，可作为电路的中间级隔断前后级电路之间的影响。4.3 三角波发生电路的原理和优化 由方波通过积分电路产生三角波的电路如图4.3.1：图4.3.1 三角波发生电路假设电容初始电压为零，由运放虚短虚断的知识可知 (4.3.1) 由于值一般远大于，故上式积分内第二项一般可忽略，可得 (4.3.2) 故当输入信号为方波时，可输出幅值为三角波，三角波周期与方波周期相同。（E为方波幅值） 为了保证积分结果不失真，该积分电路参数满足

8、如下要求：对该电路，时间常数决定了积分速度的快慢，若值太小，则还未到达预定的积分时间t之前，运放已经饱和，输出电压波形会严重失真。所以值应当满足 (4.3.3) 当为阶跃信号时，值应当满足 (4.3.4)此外对该电路，输入电阻，故希望的值越大越好，为抑制由输入失调电压和输入失调电流引起的零漂，在值满足条件的情况下一般选用较大的电容。为静态平衡电阻用来补偿偏置电流产生的失调，一般取。并联在电容两端的电阻是积分漂移泄露电阻，用来防止积分漂移所造成的饱和失真或截止失真，要求10。另外，三角波信号的特征是波形上升和下降的斜率相同，当波形上升和下降的斜率不同时，三角波就转化成锯齿波。根据这个特征，只要将

9、图4.3.1中的电路中的积分电路改成时间常数随方波输出极性而变化的电路，即可组成锯齿波信号发生器。4.4 阶梯波发生电路的原理 由方波通过积分累加电路产生阶梯波的电路如图4.4.1：图4.4.1 阶梯波发生电路方波发生电路的原理框图如图4.4.2：微分电路尖脉冲半波整流电路积分累加电路单边尖脉冲比较器阶梯波方波产生控制电路方波电子开关电路图4.4.2 方波发生电路原理框图图4.4.1中，和组成微分电路。假设在初始时刻方波电压从0跳变到E，由于电容器两端的电压不能突变，输入电压E全部落在电阻上，故此时输出电压为E，之后输入电压开始对电容充电，电容两端电压呈指数上升，电阻两端电压呈指数下降，输出下

10、降到零时形成一个正尖脉冲。同理方波下降沿可以产生一个负尖脉冲。故方波信号经过微分电路可以产生尖脉冲信号。尖脉冲信号仿真结果如图4.4.3：图4.4.3 尖脉冲信号由和组成半波整流电路，该电路是通过二极管的单相导电性将负半周期的尖脉冲滤掉，产生单边尖脉冲信号。单边尖脉冲仿真结果如图4.4.4：图4.4.4 单边阶梯波信号由运放和、组成积分累加电路，电路原理和基本积分电路相同。当单边脉冲输入积分电路时，每一个尖脉冲对应产生一个阶梯。在没有尖脉冲时，积分器保持输出不变，在下一个尖脉冲到来时，积分器在原来基础上进行积分，因而起到积分和累加的作用，可以持续产生幅值不受限的阶梯波。运放和、组成比较器电路。

11、该电路为迟滞比较器电路，其传递特性如图4.4.5：图4.4.5 迟滞比较器传播特性可以看出只要在跳变电压值附近的干扰不超过电路就是稳定的。对该电路，当=时，有 (4.4.1) (4.4.2)同理可得 (4.4.3)(、分别为图中V下限和V上限)。、和组成方波产生控制电路。、和组成电子开关电路。当积分累加电路产生的电压等于比较器的比较电压时，比较器翻转，输出正电压，使方波产生控制电路起作用，导通，将方波导入地中。同时，这个正电压使导通，积分电容放电，积分器输出对地短路，恢复到起始状态，完成一次阶梯波输出。积分器输出由负值向零跳变的过程，又使比较器发生翻转，比较器输出变为负值，这样方波产生控制电路

12、起不了作用，方波输入，同时使断开，积分器进行累加，如此循环，就形成了一系列阶梯波。4.5电路电路参数选择及计算 对正弦波振荡电路，取，可得电路的振荡频率为531的正弦波，取，,此时=3.09，满足起振条件。对方波产生电路，去稳压管稳压值为1.8V,可将输出电压控制在2.5V左右。对三角波产生电路，由前级方波产生电路仿真结果可知方波幅值E=2.45V,周期T=1.9ms，故时间常数应当，为使输入电阻尽量取大，取，此时取，可得=，满足不失真条件，可产生幅值为1.16V的三角波。对阶梯波产生电路，希望最大输出电压即迟滞比较器下限电压，上限电压，迟滞比较器在截止电压前输出负电压，截止后输出正电压。计算

13、可得=，=2.5，可取、，近似满足设计要求。 5 仿真结果及分析 仿真波形图如图5.1、图5.2：图5.1 正弦波方波三角波仿真结果图5.2 阶梯波仿真结果仿真结果分析： 对正弦波振荡电路，通过仿真改变电路参数可以发现当略微增大值时，正弦波失真会更加明显，但起振时间也会相应缩短，为3.88时波形如图5.3：图5.3 正弦波失真波形当增大到一定限度时波形就会产生严重失真，与电路原理相符。产生的正弦波周期为1.92ms，频率为和521，误差，满足设计要求。 对方波产生电路，通过仿真改变参数可以发现方波周期与正弦波相同，方波幅值受稳压管控制，与电路原理相符。产生的方波幅度为2.449V，误差，满足设

14、计要求。 对三角波产生电路，通过仿真可以发现三角波周期与方波相同，幅值受方波周期和幅值共同影响，积分电路的参数会影响三角波的波形，当时电路会产生非常严重的失真，时波形如图5.4：图5.4 三角波失真波形与电路原理相符。产生的三角波幅值为1.18V，误差1.72%，满足设计要求。对阶梯波产生电路，通过参数调整可以发现，微分积分电路的参数会影响每个阶梯的高度，迟滞比较器比较电压决定阶梯波的幅度，而比较电压又受参考电压以及电阻、控制，同时截止电压也会影响阶梯波的周期，符合电路原理。产生的阶梯波最大幅值，误差，近似满足设计要求。但阶梯波的波形有一些的失真，不同周期相同阶梯的宽度略有不同。6 阶梯波发生

15、电路的优化 由阶梯波发生电路的仿真结果可以看出由于前级电路的参数波形等的影响，阶梯波的波形失真较大。经过分析优化发现可以直接用方波产生阶梯波。方波发生器电路图如图6.1：图6.1 方波发生器电路 该电路又称为多谐振荡电路，它是在迟滞比较器的基础上增加了一个、组成的积分电路，将输出电压反馈到比较器的反相端，然后再在比较器的输出端引入双向稳压管。电路的正反馈系数为 （6.1） 设输出电压偏于正饱和值，则加到电压比较器同相端的电压为，而加到反相端的电压由于电容电压不能突变，只能由输出电压通过反馈电阻按指数规律向电容充电建立。当加到反相端的电压略大于时，输出电压便立即从正饱和值（）翻转到负饱和值（），

16、又通过反馈电阻对电容进行反向充放电。直到反相端电压略小于，输出再翻转过来，如此循环，形成一系列方波。（为稳压管稳压值） 设t=0时，反相端电压，则T/2的时间内，电容器端电压随时间的变化规律为 （6.2） 当时，带入式6.2，可得 (6.3) 对T求解，可得 (6.4) 图中二极管起控制方波输出作用，作为方波产生控制电路，当阶梯波累加到比较器比较电压时，控制方波不再输出，产生一个周期的阶梯波信号。 方波产生电路后接阶梯波产生电路及为完整的阶梯波发生器电路。电路参数选择原则和前述相同。 电路仿真结果如图6.2：图6.2 阶梯波信号 电路波形失真较小，满足设计要求。7总结与体会通过这次课程设计，我

17、学到了许多也收获了许多。首先是知识层面。通过这次自己设计电路并仿真特别是电路参数的确定与调整我对正弦波振荡电路，积分微分电路，迟滞比较器电路等基本电路的原理都有了较为深刻的理解 ，此外通过查找资料对这些电路的优化也有了一定的掌握。还有就是通过这次课设我还掌握了如阶梯波产生电路，锯齿波产生电路等课本上没有的电路，丰富了我的知识储备。由简单电路构成复杂电路的过程贯通了整个电路的知识，是课本知识总的体现，同样使我受益颇多。其次是课程设计报告的撰写。通过这次课程设计我掌握了课程设计报告的具体排版方式和格式要求，学会了用Word画流程图，在Word中添加页眉页码等实用的小技能。还有为了方便报告打印我将Word文档转换成了PDF文档，这中间也遇到了文档转换之后字体格式排版等错误的问题，通过这次课设我也了解文档转换中的一些技巧。另外由于报告中有很多数学公式，这次我还掌握了用MathType编写数学公式的方法。最后是工具软件的使用。这次课程设计使我更加熟练的使用Altium Designer画电路图，也是通过这次课设我学会一直不会的画原件封装。还有就是了解熟悉了使用Multisim进行电路仿真的方法，发现以前课上学习的许多电路都可以通过仿真得到更为深刻的理解，甚至还能发现诸如正弦波过零比较以后的方波正负幅值绝对值不相等、方波经过电压跟