室內(nèi)巡視機器人設(shè)計和仿真實現(xiàn)學士學位論文

實用信號源的設(shè)計和制作目錄TOC\o"1-3"\f\h\z第1章設(shè)計任務(wù)書 11.1任務(wù) 11.2要求 1第2章總體方案設(shè)計 22.1本設(shè)計總體方案 22.2正弦波信號生成方案 22.2.1振蕩信號的生成方法 32.2.2RC振蕩原理與振蕩條件 32.2.3振蕩電路的穩(wěn)幅方法 52.3頻率步進方案 6第3章電路設(shè)計和仿真分析 83.1RC振蕩與穩(wěn)幅電路設(shè)計 83.1.1電路參數(shù)計算 83.1.2電路仿真與分析 103.2正弦波調(diào)幅電路設(shè)計 113.2.1電路參數(shù)計算 113.2.2電路仿真與分析 123.3脈沖波生成電路設(shè)計 133.3.1電路參數(shù)計算 133.3.2電路仿真與分析 143.4頻率計的設(shè)計 18第4章設(shè)計總結(jié) 20參考文獻 21附錄Ⅰ仿真電路圖 22附錄Ⅱ10MHZ頻率計 23PAGE21設(shè)計任務(wù)書任務(wù)在給定±15V電源電壓條件下，設(shè)計并制作一個正弦波和脈沖波信號源。要求1．基本要求

（1）正弦波信號源

①信號頻率：20Hz～20kHz步進調(diào)整，步長為5Hz

②頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4

③非線性失真系數(shù)≤3%

（2）脈沖波信號源

①信號頻率：20Hz～20kHz步進調(diào)整，步長為5Hz

②上升時間和下降時間：≤1μs

③平頂斜降：≤5%

④脈沖占空比：2%～98%步進可調(diào)，步長為2%

（3）上述兩個信號源公共要求

①頻率可預置。

②在負載為600Ω時，輸出幅度為3V。

③完成5位頻率的數(shù)字顯示。2．發(fā)揮部分

（1）正弦波和脈沖波頻率步長改為1Hz。

（2）正弦波和脈沖波幅度可步進調(diào)整，調(diào)整范圍為100mV～3V，步長為100mV。

（3）正弦波和脈沖波頻率可自動步進，步長為1Hz。

（4）降低正弦波非線性失真系數(shù)。總體方案設(shè)計本設(shè)計總體方案由于對可編程器件等知識掌握有限，本設(shè)計采用采用分立元件實現(xiàn)方案一：如圖2.1所示。頻率產(chǎn)生頻率產(chǎn)生單元三角波正弦波方波圖2.1信號輸出方案一方案二：如圖2.2所示。頻率產(chǎn)生頻率產(chǎn)生單元正弦波方波圖2.2信號輸出方案二考慮電路結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方便，擬采用方案二。系統(tǒng)總體框圖如圖2.3所示。所設(shè)計的信號發(fā)生器由振蕩電路、穩(wěn)幅電路、正弦波調(diào)幅電路、電壓比較電路、脈沖波調(diào)幅電路組成。頻率產(chǎn)生單元由振蕩電路和電壓放大電路構(gòu)成，能夠產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦波信號，正弦波信號的幅度調(diào)整后經(jīng)電壓比較器和脈沖調(diào)幅電路輸出要求的脈沖波。振振蕩電路穩(wěn)幅電路正弦波調(diào)幅電路電壓比較電路脈沖調(diào)幅電路正弦波脈沖波圖2.3系統(tǒng)總體框圖正弦波信號生成方案信號發(fā)生器的工作頻率范圍、頻率穩(wěn)定度、頻率設(shè)置精度、相位噪聲、信號頻譜純度是信號發(fā)生器性能的重要指標，都與頻率產(chǎn)生單元有關(guān)，在本設(shè)計中頻率產(chǎn)生單元首先生成正弦波信號，正弦波信號的頻率大小直接影響后面脈沖波信號的步進，因此正弦波正弦波信號的生成包括振蕩和穩(wěn)幅兩個過程。振蕩信號的生成方法振蕩信號可以由三種形式的振蕩器產(chǎn)生。1.LC振蕩器這種振蕩器，由于LC體積大、頻率變化范圍小、品質(zhì)因數(shù)Q值較小，故一般不太適合用于低頻信號振蕩器，而在一般高頻信號振蕩器中使用較多。2.差頻振蕩器由一穩(wěn)定的基準頻率振蕩器與可調(diào)頻率振蕩器產(chǎn)生差頻信號，此差頻信號經(jīng)過低頻濾波、放大后作為信號源輸出信號。這種振蕩器頻率覆蓋面寬，缺點是受高頻基準振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響很大，所以輸出頻率穩(wěn)定性較差，在低頻端尤為顯著，使用時需要經(jīng)常校正。3.RC振蕩器RC振蕩器用電阻代替了電感器，使結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，不僅降低了成本，而且還具有較高的頻率穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)使用較方便，因而在低頻信號發(fā)生器中被廣泛地應(yīng)用。典型的RC振蕩器叫做文氏電橋振蕩器。文氏電橋振蕩器的優(yōu)點是在同一頻段內(nèi)比LC振蕩器的頻率范圍寬，其頻率變化比值（以最高頻率與最低頻率之比表示）可達10∶1，而LC振蕩器只有3∶1左右。振蕩波形是正弦波，失真小。頻率穩(wěn)定性高，在所有工作頻率范圍內(nèi)，振幅幾乎等于常數(shù)。低頻信號發(fā)生器中多采用這種電路。因此設(shè)計中采用RC振蕩器產(chǎn)生正弦振蕩信號。RC振蕩原理與振蕩條件正弦波產(chǎn)生電路一般應(yīng)放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路幾個基本組成部分。判斷一個電路是否為正弦波振蕩器，就看其組成是否含有上述四個部分。1.RC橋式振蕩\o"電流流過的路叫做電路"電路的構(gòu)成RC橋式振蕩\o"電流流過的路叫做電路"電路如圖2.4所示。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接在運算放大器的輸出端和\o""同相輸入端構(gòu)成了帶有選頻作用的正反饋網(wǎng)絡(luò)，另外Rf、R1接在運算放大器的輸出端和\o""反相輸入端之間，與集成運放一起構(gòu)成負反饋放大電路。由圖2.5可見，正反饋\o"電流流過的路叫做電路"電路與負反饋電路構(gòu)成一文氏電橋電路，運算放大器的輸入端和輸出端分別跨接在電橋的對角線上，所以把這種振蕩電路稱為RC橋式振蕩電路?？梢?當ω=ω0=1/RC時，達到最大值且等于1/3,而相移φ=0，輸出\o"電壓"電壓與輸入電壓\o""同相，所以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有選頻作用，此時輸出\o"電壓"電壓頻率為（2-1）圖2.4RC橋式振蕩電路2.正弦振蕩條件判斷正弦振蕩的一般方法是：（1）是否滿足相位條件，即電路是否為正反饋，只有滿足相位條件才有可能振蕩；（2）放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作點是否合適。（3）分析是否滿足幅度條件,檢驗，若①，則不可能振蕩；②，能振蕩，但輸出波形明顯失真；③，產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后，再加上穩(wěn)幅措施，振蕩穩(wěn)定，而且輸出波形失真小。對于圖2.5，輸入信號由\o""同相端輸入（即振蕩信號由此輸入），根據(jù)虛短、虛斷可求得負反饋閉環(huán)\o"電壓"電壓放大倍數(shù)為：（2-2）\o"振幅"振幅條件：（2-3）\o"相位是反映交流電任何時刻的狀態(tài)的物理量"相位起振：（2-4）振蕩\o"電流流過的路叫做電路"電路的穩(wěn)幅方法1）熱敏\o"電阻"電阻穩(wěn)幅RC橋式振蕩\o"電流流過的路叫做電路"電路的穩(wěn)幅作用是靠熱敏\o"電阻"電阻Rf實現(xiàn)的。Rf是負\o"電阻的溫度系數(shù)"溫度系數(shù)熱敏\o"電阻"電阻，當輸出\o"電壓"電壓升高，Rf上所加的電壓升高，即溫度升高，Rf的阻值減小，負反饋增強，輸出幅度下降，反之輸出幅度增加。若熱敏電阻是負溫度系數(shù)，應(yīng)放置在R1的位置。若該\o"電流流過的路叫做電路"電路Rf為一固定\o"電阻"電阻,放大器Au為常數(shù)。起振時：則要求振蕩平衡：則要求，只有當運算放大器進入非線性工作區(qū)才能使增益下降達到平衡條件,從而產(chǎn)生嚴重\o"失真"失真現(xiàn)象。②若該\o"電流流過的路叫做電路"電路RF為一負\o"電阻的溫度系數(shù)"溫度系數(shù)的熱敏\o"電阻"電阻起振時：由于信號較弱，熱敏\o"電阻"電阻RF處于冷態(tài),阻值比較大，放大器Au值較大滿足，很快振蕩建立。振蕩平衡：隨信號增強,熱敏\o"電阻"電阻RF溫度升高,阻值減小，放大器Au值自動下降,在運算放大器還末進入非線性工作區(qū)時,達到平衡條件。2）二極管穩(wěn)幅圖2.5二極管穩(wěn)幅電路及原理圖2.5（a）中二極管VD1和VD2用以改善輸出電壓波形，穩(wěn)定輸出幅度。起振時，由于集成運放的輸出電壓很低，VD1和VD2接近于開路，負反饋并聯(lián)電路的等效電阻近似等于Rf，AF>1，電路產(chǎn)生振蕩．隨著集成運放輸出電壓的增大，當Rf上的分壓超過二極管的正向?qū)妷簳r，流過Rf上的電流被分流，負反饋支路的反饋系數(shù)增大，迫使AF逐漸等于1，最終電路進入穩(wěn)幅工作狀態(tài)。考慮到調(diào)試的方便，設(shè)計中采用二極管穩(wěn)幅方法。頻率步進方案若要實現(xiàn)輸出的信號頻率范圍為20Hz～20KHz，頻率步進為5Hz，可以使用鍵盤或開關(guān)輸入的方式，在這里為了調(diào)試方便，保證實驗的精確性并且實現(xiàn)頻率的細微調(diào)整，尤其是10KHz以上頻率的微調(diào)，將頻率按照10倍頻程分為3段：20～200～2000～20KHz，每個頻段的RC振蕩電容分別為0.1F、0.01F、0.001F，由撥碼開關(guān)J1實現(xiàn)電容的接入。設(shè)RC振蕩電路串、并支路的電阻分別為和，電容分別為和。若R1=R2=R，C1=C2=C，則電路的振蕩頻率為（3-1）設(shè)頻率由步進到，步長為5Hz，則電阻R的變化量為（3-2）在不同頻段（C為不同值）時電阻R的取值和變化見表2-1。表2-1頻率變化與電容、電阻的關(guān)系頻率范圍頻率（Hz）電阻R（）頻率增加5Hz時電阻的變化（）C=0.1F頻率：20～200Hz2080K15.924K5031.85K2.9K10015.924K7602007.962K204頻率范圍頻率（Hz）電阻R（）頻率增加5Hz時電阻的變化（）C=0.01F頻率：200～2KHz20080K1.942K50031.85K3151K15.924K802K7.962K20頻率范圍頻率（Hz）電阻R（）頻率增加5Hz時電阻的變化（）C=0.00頻率：2K～20KHz2K80K1985K31.85K3210K15.924K820K7.962K2通過上面的分析計算知在不同的頻段，當頻率5Hz步進時，電阻R的變化不同，大到十幾K，小到幾，由于精度所限，大多數(shù)雙聯(lián)電位器的精度為5%，因此為實現(xiàn)頻率的微小步進，應(yīng)將電阻分檔，實現(xiàn)頻率由粗調(diào)到微調(diào)的細化。調(diào)頻時，首先調(diào)節(jié)100K的雙聯(lián)電位器，再逐級調(diào)節(jié)10K、1K、100、20的電位器，這樣可實現(xiàn)頻率5Hz步進。電路設(shè)計和仿真分析本設(shè)計采用的設(shè)計方案為RC文氏橋振蕩穩(wěn)幅振蕩正弦波調(diào)幅電壓比較脈沖波調(diào)幅整形。RC振蕩與穩(wěn)幅電路設(shè)計電路參數(shù)計算圖3.1為RC文氏橋振蕩與穩(wěn)幅電路。設(shè)計上采用了多級電阻和多級雙聯(lián)電位器實現(xiàn)頻率的分段和步進。R11R115.1k?R101100k?Key=A50%R10210k?Key=A50%R1031k?Key=A50%R104100?Key=A50%R10520?Key=A50%12345J16C11nFC210nFC3100nF789R32.7k?R49.1k?D11N4148D21N414810VEE-15VVCC15VR215.1k?R201100k?Key=A50%R20210k?Key=A50%R2031k?Key=A50%R204100?Key=A50%R20520?Key=A50%1716151413C41nFC510nFC6100nFJ2201922R2410k?Key=A50%R2310k?30R2010k?31VCC15VVCCVEE-15VVEEU1ATL082CD3248123VCCVEER210k?Key=A50%120圖3.1RC振蕩電路電路仿真與分析下面以Multisim11.0為工作平臺，分析RC橋式正弦波振蕩電路。首先創(chuàng)建實驗電路。運行Multisim11.0軟件進入主窗口，將原理圖中的所有元件和儀器從元件庫中調(diào)出并設(shè)置好參數(shù)，編輯電路如圖3.1，圖中電路符號均采用北美標準（ANSI）。加上示波器和頻率計，圖3.1中RC文氏橋輸出的電壓接在示波器的ChannelA，穩(wěn)幅電路的輸出信號Vb接在示波器的ChannelB和頻率計上。打開示波器面板，將Timebase設(shè)置為200s/DIV，顯示方式設(shè)置為Y/T，ChannelA和ChannelB設(shè)置為5V/DIV。啟動仿真開關(guān)后，若振蕩沒有建立，逐級調(diào)節(jié)雙聯(lián)電位器，直到波形無明顯失真并滿足頻率要求。圖3.2C=0.01F，R=55.56K時的正弦波穩(wěn)幅輸出圖形和頻率計的輸出值，此時頻率為452Hz，頻率的穩(wěn)定度很好。圖3.2中振幅較大的是集成運放輸出電壓Vb的波形，振幅較小的是集成運放同相輸入端電壓Va的波形。圖3.2C=0.01F時R=55.56K時的穩(wěn)幅圖形圖3.3C=0.01F時R=55.56K時的頻率計的輸出調(diào)節(jié)1K的電位器的值，可實現(xiàn)頻率步進，如圖3.4所示，可見可以實現(xiàn)5Hz的步進。圖3.4C=0.01F時R=R=55.56K時的頻率計的輸出正弦波調(diào)幅電路設(shè)計電路參數(shù)計算正弦波調(diào)幅電路如圖3.5所示。圖3.5正弦波調(diào)幅電路為實現(xiàn)300mv～3v的輸出要求，在穩(wěn)幅電路后設(shè)計了分壓電路，分壓后的輸出電壓Vc為：(3-3)該分壓電路由開關(guān)J3控制其接入電路，當穩(wěn)幅電路輸出的電壓較大時，按下開關(guān)J3，接入分壓電路，降低Vc后，再由后面的調(diào)幅電路調(diào)整輸出信號的幅度。在運放TL082的負反饋支路中設(shè)置了幅度粗調(diào)電位器R14和細調(diào)電位器R13，可實現(xiàn)輸出電壓的精確調(diào)整。電路仿真與分析先調(diào)節(jié)幅度粗調(diào)電位器R14，再調(diào)節(jié)細調(diào)電位器R13，在R為600時，可精確實現(xiàn)輸出幅度為3V。圖3.6所示為R=600時經(jīng)調(diào)幅后的仿真圖形圖3.6R=600時經(jīng)調(diào)幅后的仿真圖形脈沖波生成電路設(shè)計電路參數(shù)計算脈沖波生成電路圖如圖3.7所示。其中第一個運放是電壓比較器，其輸出電壓為正弦波調(diào)幅電路的輸出電壓Vd與Ve比較的結(jié)果，當Vd大于Ve時，運放輸出滿幅值+15V，當Vd小于Ve時，運放輸出-15V。電位器R24用于調(diào)整比較電壓Ve的大小，以便改變輸出脈沖波的占空比。(3-4)第二個運放用來調(diào)節(jié)脈沖波的幅度，與正弦波幅度的調(diào)節(jié)方法相似。圖3.7脈沖波生成電路電路仿真與分析當R24=5K時，占空比為50%，仿真圖形如圖3.8所示，上升時間為3.766，下降時間為3.766，與實驗要求的1有差距，若在輸出信號后加上觸發(fā)電路整形，則波形會更理想，由于時間問題，這里暫不做調(diào)整。圖3.8當R24=5K時，占空比為50%的仿真圖形改變R24的值，占空比發(fā)生變化，如圖3.9所示。圖3.9改變占空比仿真圖形當R=600時，經(jīng)過調(diào)幅電路，通過調(diào)節(jié)R19和R25，可基本實現(xiàn)輸出幅度為3V的要求，如圖3.10所示圖3.10R=600時經(jīng)調(diào)幅后的仿真圖形經(jīng)比較兩個頻率計的讀數(shù)，頻率穩(wěn)定度為100%，如圖3.11和3.12所示 圖3.11正弦波信號輸出頻率 圖3.12方波信號輸出頻率頻率計的設(shè)計因為時間緊迫，對于頻率的測量使用的是Multisim本身帶的頻率計，如圖3.13是我根據(jù)相關(guān)教程仿真的10MHZ頻率計，不只是軟件自身的BUG還是電路本身的問題，對于頻率的測量不能精確完成，有待進一步的完善。設(shè)計總結(jié)本次設(shè)計從電路原理圖設(shè)計、參數(shù)計算再到仿真，雖然沒有經(jīng)過實際電路的操作，但我從中受益匪淺，通過這個過程使我對學過的知識有了更深一步的理解，并且更加熟練地掌握了Multisim的用法，擴展了我的知識面，在這里，我要感謝老師給我這個機會，盡管不知結(jié)果如何，但這其中的過程已經(jīng)讓我很知足。參考文獻[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)—模擬部分［M］.5版.北京：高等教育出版社，2006：454～466．[2]蔣卓勤，鄧玉元．Multisim2001及其在電子設(shè)計中的應(yīng)用[M]．西安：電子科技大學出版社，2003．142~144．[3]田逸．一種利用EDA技術(shù)快速理解RC橋式正弦波振蕩電路的教學方法[J]．重慶職業(yè)技術(shù)學院學報，2008，14(2)：64~65．[4]朱兆優(yōu),林剛勇,馬善農(nóng),等.電子電路設(shè)計技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007[5]楊建軍.DDS+PLL組合系統(tǒng)及實例[J].電訊技術(shù)，2009，41(1):72274.[6]楊名利,謝瑋,徐繼文.簡易低頻信號發(fā)生器設(shè)計[J].機床與液壓.1995,11(6):17-28.畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得及其它教育機構(gòu)的學位或?qū)W歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作者簽名：日期：指導教師簽名：日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學校可以公布論文的部分或全部內(nèi)容。作者簽名：日期：

學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：年月日學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關(guān)保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名： 日期：年月日導師簽名：日期：年月日

致謝時間飛逝，大學的學習生活很快就要過去，在這四年的學習生活中，收獲了很多，而這些成績的取得是和一直關(guān)心幫助我的人分不開的。首先非常感謝學校開設(shè)這個課題，為本人日后從事計算機方面的工作提供了經(jīng)驗，奠定了基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計大概持續(xù)了半年，現(xiàn)在終于到結(jié)尾了。本次畢業(yè)設(shè)計是對我大學四年學習下來最好的檢驗。經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析問題的能力、合作精神、嚴謹?shù)墓ぷ髯黠L等方方面面都有很大的進步。這期間凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感謝。沒有他們的幫助，我將無法順利完成這次設(shè)計。首