華科信號課設(shè)

1、電氣學(xué)院信號與系統(tǒng)課程設(shè)計報告電氣與電子工程學(xué)院信號與系統(tǒng)課程設(shè)計設(shè)計題目 信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)指導(dǎo)老師 徐墾 班 級 電氣1307班 姓 名 王琦 學(xué) 號 U201311970 完成日期 2014年 8 月26日 目錄1 課程設(shè)計目的 22 課程設(shè)計題目描述和要求 23 概要設(shè)計 2 3.1 電路功能簡介 2 3.2 電路原理設(shè)計框圖 24 電路原理和參數(shù)設(shè)計分析 3 4.1 正弦波發(fā)生電路的原理和優(yōu)化 3 4.2 方波發(fā)生電路的原理和優(yōu)化 4 4.3 三角波發(fā)生電路的原理和優(yōu)化 64.4 階梯波發(fā)生電路的原理 7 4.5 電路參數(shù)選擇及計算 105 仿真結(jié)果和分析 106 階梯波電路的優(yōu)

2、化 137 總結(jié)和體會 15參考文獻 17附錄一 四信號發(fā)生器仿真電路圖 18附錄二 階梯波優(yōu)化仿真電路圖 19摘要： 隨著信息時代的高速發(fā)展，信號已經(jīng)成為與人們生活息息相關(guān)的事物，信號產(chǎn)生電路也在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。本課程設(shè)計在信號與系統(tǒng)、電子技術(shù)、電路理論等課程的基礎(chǔ)上，設(shè)計信號產(chǎn)生電路，通過Multisim 12.0軟件進行仿真，實現(xiàn)了四種簡單信號的產(chǎn)生輸出和優(yōu)化以及信號之間的相互轉(zhuǎn)換。關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器 信號產(chǎn)生與轉(zhuǎn)換 仿真1 課程設(shè)計目的 學(xué)習(xí)不同信號的產(chǎn)生方式學(xué)習(xí)不同信號之間的轉(zhuǎn)換學(xué)習(xí)用計算機畫電路圖 學(xué)習(xí)用軟件仿真電路 學(xué)習(xí)撰寫課程設(shè)計報告 2 課程設(shè)計題目描述和要求自已設(shè)

3、計電路系統(tǒng)，構(gòu)成信號發(fā)生器，要求能產(chǎn)生三種以上的信號。（可以一種電路產(chǎn)生多種信號，也可以由不同電路產(chǎn)生不同信號）。利用Matlab或Multisim、PSPICE、PROTEL或其他軟件仿真。3 概要設(shè)計3.1 電路功能簡介 本電路為產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、階梯波四種信號的多波形信號發(fā)生器。其中正弦波由文氏振蕩電路產(chǎn)生，方波由正弦波變換產(chǎn)生，三角波以及階梯波通過方波變換產(chǎn)生。由運放的性質(zhì)可知將正弦波信號通過過零比較電路即可得到幅值為運放電源值的方波。另外由積分的知識可知對方波進行積分可以得到三角波，因此可以利用方波信號和積分電路構(gòu)成三角波產(chǎn)生電路。最后相同寬度的脈沖在相同的時間間隔內(nèi)不斷累加

4、即可以產(chǎn)生階梯波信號，單邊脈沖可由方波信號濾波得到。3.2 電路原理設(shè)計框圖文氏振蕩電路正弦波過零比較電路方波積分電路積分累加電路三角波階梯波圖3.2.1 電路原理設(shè)計框圖4 電路原理和參數(shù)設(shè)計分析4.1 正弦波發(fā)生電路的原理和優(yōu)化 文氏正弦波振蕩電路電路圖如圖4.1.1：圖4.1.1 正弦波振蕩電路 該電路由兩部分組成，即左側(cè)RC串并聯(lián)電路構(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)和右側(cè)運放構(gòu)成的比例放大電路。要使該電路產(chǎn)生自激振蕩，必須滿足相位平衡條件和幅度平衡條件，即使 且 (4.1.1) 由圖4.1.1中的RC串并聯(lián)電路可得正反饋增益 (4.1.2) 由(4.1.2)式可知當(dāng)其分母虛部系數(shù)為零時幅頻響應(yīng)的幅值最大

5、，相頻響應(yīng)的相位角為零，滿足該條件的頻率為 =或 (4.1.3) 此時有和 (4.1.4) 右側(cè)負反饋放大電路為同相比例放大電路，其增益為 (4.1.5) 故當(dāng)略大于3時，電路中的頻率為的微弱噪聲會在正反饋電路和放大電路構(gòu)成的閉環(huán)下輸出幅值越來越大，最后受非線性原件限制振蕩幅度自動穩(wěn)定下來，達到振幅平衡條件，產(chǎn)生頻率為的正弦波。且當(dāng)遠大于3時，波形會產(chǎn)生嚴重的失真。 電路中負反饋回路中串聯(lián)兩個并聯(lián)的二極管起穩(wěn)幅作用，利用電流增大時二極管動態(tài)電阻減小、電流減小時二極管動態(tài)電阻增大的特點加入非線性環(huán)節(jié)使輸出電壓幅值穩(wěn)定。除此之外，也可以使用溫敏電阻代替引入非線性環(huán)節(jié)達到穩(wěn)幅的作用。 4.2 方波發(fā)

6、生電路的原理和優(yōu)化 由正弦波通過過零比較電路產(chǎn)生方波的電路如圖4.2.1：圖4.2.1 方波發(fā)生電路 此電路由過零比較電路和電壓跟隨電路組成。由于過零比較電路產(chǎn)生的方波會受到后級階梯波電路的影響而產(chǎn)生較大失真，本設(shè)計在過零比較電路后添加了電壓跟隨器電路。如圖4.2.1左側(cè)所示過零比較電路中，運放工作在開環(huán)狀態(tài)，當(dāng)輸入電壓時，輸出；當(dāng)輸入電壓時，輸出電壓。對接的穩(wěn)壓管起限幅作用，設(shè)穩(wěn)壓管的正向?qū)妷簽?，穩(wěn)定電壓為，則當(dāng)輸入大于0時，運放輸出，工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，工作在正向?qū)顟B(tài)，所以輸出電壓 (4.2.1)同理當(dāng)輸入小于0時，輸出電壓 (4.2.2) 故當(dāng)輸入電壓為正弦波時，輸出電壓應(yīng)為周期預(yù)制

7、相同相同，幅值為的方波。 如圖4.2.1右側(cè)所示電壓跟隨器電路實際上相當(dāng)于，反饋系數(shù)F=1的同相比例放大電路，由于集成運放具有極高的增益，該電路具有極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可作為電路的中間級隔斷前后級電路之間的影響。4.3 三角波發(fā)生電路的原理和優(yōu)化 由方波通過積分電路產(chǎn)生三角波的電路如圖4.3.1：圖4.3.1 三角波發(fā)生電路假設(shè)電容初始電壓為零，由運放虛短虛斷的知識可知 (4.3.1) 由于值一般遠大于，故上式積分內(nèi)第二項一般可忽略，可得 (4.3.2) 故當(dāng)輸入信號為方波時，可輸出幅值為三角波，三角波周期與方波周期相同。（E為方波幅值） 為了保證積分結(jié)果不失真，該積分電路參數(shù)滿足

8、如下要求：對該電路，時間常數(shù)決定了積分速度的快慢，若值太小，則還未到達預(yù)定的積分時間t之前，運放已經(jīng)飽和，輸出電壓波形會嚴重失真。所以值應(yīng)當(dāng)滿足 (4.3.3) 當(dāng)為階躍信號時，值應(yīng)當(dāng)滿足 (4.3.4)此外對該電路，輸入電阻，故希望的值越大越好，為抑制由輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流引起的零漂，在值滿足條件的情況下一般選用較大的電容。為靜態(tài)平衡電阻用來補償偏置電流產(chǎn)生的失調(diào)，一般取。并聯(lián)在電容兩端的電阻是積分漂移泄露電阻，用來防止積分漂移所造成的飽和失真或截止失真，要求10。另外，三角波信號的特征是波形上升和下降的斜率相同，當(dāng)波形上升和下降的斜率不同時，三角波就轉(zhuǎn)化成鋸齒波。根據(jù)這個特征，只要將

9、圖4.3.1中的電路中的積分電路改成時間常數(shù)隨方波輸出極性而變化的電路，即可組成鋸齒波信號發(fā)生器。4.4 階梯波發(fā)生電路的原理 由方波通過積分累加電路產(chǎn)生階梯波的電路如圖4.4.1：圖4.4.1 階梯波發(fā)生電路方波發(fā)生電路的原理框圖如圖4.4.2：微分電路尖脈沖半波整流電路積分累加電路單邊尖脈沖比較器階梯波方波產(chǎn)生控制電路方波電子開關(guān)電路圖4.4.2 方波發(fā)生電路原理框圖圖4.4.1中，和組成微分電路。假設(shè)在初始時刻方波電壓從0跳變到E，由于電容器兩端的電壓不能突變，輸入電壓E全部落在電阻上，故此時輸出電壓為E，之后輸入電壓開始對電容充電，電容兩端電壓呈指數(shù)上升，電阻兩端電壓呈指數(shù)下降，輸出下

10、降到零時形成一個正尖脈沖。同理方波下降沿可以產(chǎn)生一個負尖脈沖。故方波信號經(jīng)過微分電路可以產(chǎn)生尖脈沖信號。尖脈沖信號仿真結(jié)果如圖4.4.3：圖4.4.3 尖脈沖信號由和組成半波整流電路，該電路是通過二極管的單相導(dǎo)電性將負半周期的尖脈沖濾掉，產(chǎn)生單邊尖脈沖信號。單邊尖脈沖仿真結(jié)果如圖4.4.4：圖4.4.4 單邊階梯波信號由運放和、組成積分累加電路，電路原理和基本積分電路相同。當(dāng)單邊脈沖輸入積分電路時，每一個尖脈沖對應(yīng)產(chǎn)生一個階梯。在沒有尖脈沖時，積分器保持輸出不變，在下一個尖脈沖到來時，積分器在原來基礎(chǔ)上進行積分，因而起到積分和累加的作用，可以持續(xù)產(chǎn)生幅值不受限的階梯波。運放和、組成比較器電路。

11、該電路為遲滯比較器電路，其傳遞特性如圖4.4.5：圖4.4.5 遲滯比較器傳播特性可以看出只要在跳變電壓值附近的干擾不超過電路就是穩(wěn)定的。對該電路，當(dāng)=時，有 (4.4.1) (4.4.2)同理可得 (4.4.3)(、分別為圖中V下限和V上限)。、和組成方波產(chǎn)生控制電路。、和組成電子開關(guān)電路。當(dāng)積分累加電路產(chǎn)生的電壓等于比較器的比較電壓時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出正電壓，使方波產(chǎn)生控制電路起作用，導(dǎo)通，將方波導(dǎo)入地中。同時，這個正電壓使導(dǎo)通，積分電容放電，積分器輸出對地短路，恢復(fù)到起始狀態(tài)，完成一次階梯波輸出。積分器輸出由負值向零跳變的過程，又使比較器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，比較器輸出變?yōu)樨撝?，這樣方波產(chǎn)生控制電路

12、起不了作用，方波輸入，同時使斷開，積分器進行累加，如此循環(huán)，就形成了一系列階梯波。4.5電路電路參數(shù)選擇及計算 對正弦波振蕩電路，取，可得電路的振蕩頻率為531的正弦波，取，,此時=3.09，滿足起振條件。對方波產(chǎn)生電路，去穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值為1.8V,可將輸出電壓控制在2.5V左右。對三角波產(chǎn)生電路，由前級方波產(chǎn)生電路仿真結(jié)果可知方波幅值E=2.45V,周期T=1.9ms，故時間常數(shù)應(yīng)當(dāng)，為使輸入電阻盡量取大，取，此時取，可得=，滿足不失真條件，可產(chǎn)生幅值為1.16V的三角波。對階梯波產(chǎn)生電路，希望最大輸出電壓即遲滯比較器下限電壓，上限電壓，遲滯比較器在截止電壓前輸出負電壓，截止后輸出正電壓。計算

13、可得=，=2.5，可取、，近似滿足設(shè)計要求。 5 仿真結(jié)果及分析 仿真波形圖如圖5.1、圖5.2：圖5.1 正弦波方波三角波仿真結(jié)果圖5.2 階梯波仿真結(jié)果仿真結(jié)果分析： 對正弦波振蕩電路，通過仿真改變電路參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)略微增大值時，正弦波失真會更加明顯，但起振時間也會相應(yīng)縮短，為3.88時波形如圖5.3：圖5.3 正弦波失真波形當(dāng)增大到一定限度時波形就會產(chǎn)生嚴重失真，與電路原理相符。產(chǎn)生的正弦波周期為1.92ms，頻率為和521，誤差，滿足設(shè)計要求。 對方波產(chǎn)生電路，通過仿真改變參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)方波周期與正弦波相同，方波幅值受穩(wěn)壓管控制，與電路原理相符。產(chǎn)生的方波幅度為2.449V，誤差，滿足設(shè)

14、計要求。 對三角波產(chǎn)生電路，通過仿真可以發(fā)現(xiàn)三角波周期與方波相同，幅值受方波周期和幅值共同影響，積分電路的參數(shù)會影響三角波的波形，當(dāng)時電路會產(chǎn)生非常嚴重的失真，時波形如圖5.4：圖5.4 三角波失真波形與電路原理相符。產(chǎn)生的三角波幅值為1.18V，誤差1.72%，滿足設(shè)計要求。對階梯波產(chǎn)生電路，通過參數(shù)調(diào)整可以發(fā)現(xiàn)，微分積分電路的參數(shù)會影響每個階梯的高度，遲滯比較器比較電壓決定階梯波的幅度，而比較電壓又受參考電壓以及電阻、控制，同時截止電壓也會影響階梯波的周期，符合電路原理。產(chǎn)生的階梯波最大幅值，誤差，近似滿足設(shè)計要求。但階梯波的波形有一些的失真，不同周期相同階梯的寬度略有不同。6 階梯波發(fā)生

15、電路的優(yōu)化 由階梯波發(fā)生電路的仿真結(jié)果可以看出由于前級電路的參數(shù)波形等的影響，階梯波的波形失真較大。經(jīng)過分析優(yōu)化發(fā)現(xiàn)可以直接用方波產(chǎn)生階梯波。方波發(fā)生器電路圖如圖6.1：圖6.1 方波發(fā)生器電路 該電路又稱為多諧振蕩電路，它是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上增加了一個、組成的積分電路，將輸出電壓反饋到比較器的反相端，然后再在比較器的輸出端引入雙向穩(wěn)壓管。電路的正反饋系數(shù)為 （6.1） 設(shè)輸出電壓偏于正飽和值，則加到電壓比較器同相端的電壓為，而加到反相端的電壓由于電容電壓不能突變，只能由輸出電壓通過反饋電阻按指數(shù)規(guī)律向電容充電建立。當(dāng)加到反相端的電壓略大于時，輸出電壓便立即從正飽和值（）翻轉(zhuǎn)到負飽和值（），

16、又通過反饋電阻對電容進行反向充放電。直到反相端電壓略小于，輸出再翻轉(zhuǎn)過來，如此循環(huán)，形成一系列方波。（為穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值） 設(shè)t=0時，反相端電壓，則T/2的時間內(nèi)，電容器端電壓隨時間的變化規(guī)律為 （6.2） 當(dāng)時，帶入式6.2，可得 (6.3) 對T求解，可得 (6.4) 圖中二極管起控制方波輸出作用，作為方波產(chǎn)生控制電路，當(dāng)階梯波累加到比較器比較電壓時，控制方波不再輸出，產(chǎn)生一個周期的階梯波信號。 方波產(chǎn)生電路后接階梯波產(chǎn)生電路及為完整的階梯波發(fā)生器電路。電路參數(shù)選擇原則和前述相同。 電路仿真結(jié)果如圖6.2：圖6.2 階梯波信號 電路波形失真較小，滿足設(shè)計要求。7總結(jié)與體會通過這次課程設(shè)計，我

17、學(xué)到了許多也收獲了許多。首先是知識層面。通過這次自己設(shè)計電路并仿真特別是電路參數(shù)的確定與調(diào)整我對正弦波振蕩電路，積分微分電路，遲滯比較器電路等基本電路的原理都有了較為深刻的理解 ，此外通過查找資料對這些電路的優(yōu)化也有了一定的掌握。還有就是通過這次課設(shè)我還掌握了如階梯波產(chǎn)生電路，鋸齒波產(chǎn)生電路等課本上沒有的電路，豐富了我的知識儲備。由簡單電路構(gòu)成復(fù)雜電路的過程貫通了整個電路的知識，是課本知識總的體現(xiàn)，同樣使我受益頗多。其次是課程設(shè)計報告的撰寫。通過這次課程設(shè)計我掌握了課程設(shè)計報告的具體排版方式和格式要求，學(xué)會了用Word畫流程圖，在Word中添加頁眉頁碼等實用的小技能。還有為了方便報告打印我將Word文檔轉(zhuǎn)換成了PDF文檔，這中間也遇到了文檔轉(zhuǎn)換之后字體格式排版等錯誤的問題，通過這次課設(shè)我也了解文檔轉(zhuǎn)換中的一些技巧。另外由于報告中有很多數(shù)學(xué)公式，這次我還掌握了用MathType編寫數(shù)學(xué)公式的方法。最后是工具軟件的使用。這次課程設(shè)計使我更加熟練的使用Altium Designer畫電路圖，也是通過這次課設(shè)我學(xué)會一直不會的畫原件封裝。還有就是了解熟悉了使用Multisim進行電路仿真的方法，發(fā)現(xiàn)以前課上學(xué)習(xí)的許多電路都可以通過仿真得到更為深刻的理解，甚至還能發(fā)現(xiàn)諸如正弦波過零比較以后的方波正負幅值絕對值不相等、方波經(jīng)過電壓跟