信號發(fā)生器課程設(shè)計

1、<p>　　課程設(shè)計名稱： 電子技術(shù)課程設(shè)計 </p><p>　　題 目： 信號發(fā)生器 </p><p>　　學 期：2012-2013學年第2學期</p><p>　　專 業(yè)： 測控技術(shù)與儀器 </p><p>　　班

2、級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p><b

3、>　　一、設(shè)計題目</b></p><p>　　集成運放應(yīng)用電路設(shè)計</p><p><b>　　二、設(shè)計任務(wù)</b></p><p>　　請使用一片LM324或其他四運放芯片，實現(xiàn)下述功能（整體框圖見下圖）：</p><p>　　1.使用運放，產(chǎn)生一個三角波信號U1，峰峰值為4V，頻率為5KHz。&l

4、t;/p><p>　　2.使用仿真軟件中低頻信號源輸出一個正弦波信號U2，頻率為500Hz，峰峰值為200 mV。</p><p>　　3.設(shè)計一個比例加法器，輸出信號為U3，U3 = U1 + 10U2</p><p>　　4.設(shè)計一個濾波電路，使其可以最大限度地濾除5KHz的分量，保留500Hz的分量，輸出結(jié)果為U4，其峰峰值為4~5V可調(diào)。</p>

5、<p>　　5.設(shè)計一個比較器電路，對U1和U4信號進行比較，輸出信號為U5，峰峰值為3V。</p><p>　　要求運放使用+12V單電源供電。</p><p><b>　　三、設(shè)計計劃</b></p><p>　　電子技術(shù)課程設(shè)計共1周。</p><p>　　第1天：針對選題查資料，確定設(shè)計方案；</

6、p><p>　　第2天：方案分析比較，電路原理設(shè)計，進行元器件及參數(shù)選擇；</p><p>　　第3～4天：電路仿真，畫電路原理圖,要求至少用Multisim；</p><p>　　第5天：編寫整理設(shè)計報告，格式必須準確。</p><p><b>　　四、設(shè)計要求</b></p><p>　　1. 畫

7、出整體電路圖。</p><p>　　2. 對所設(shè)計的電路全部或部分進行仿真，使之達到設(shè)計任務(wù)要求。抓圖背景為白色。</p><p>　　3. 寫出設(shè)計報告書。</p><p>　　時 間：2013年6月22日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>

8、　　1方案論證1</b></p><p><b>　　1.1方案一1</b></p><p><b>　　1.2方案二1</b></p><p><b>　　1.3方案三1</b></p><p>　　2原理及技術(shù)指標2</p><p&

9、gt;　　2.1三角波發(fā)生電路2</p><p>　　2.2同相比例加法器3</p><p>　　2.3有源二階低通濾波電路4</p><p>　　2.4電壓比較器5</p><p>　　3單元電路設(shè)計及參數(shù)計算6</p><p>　　3.1矩形波及三角波發(fā)生電路及參數(shù)值6</p><p

10、>　　3.2比例加法器電路及參數(shù)值9</p><p>　　3.3壓控電壓源二階低通濾波電路及參數(shù)值10</p><p>　　3.4電壓比較器電路及參數(shù)值12</p><p><b>　　4仿真13</b></p><p>　　4.1三角波發(fā)生電路13</p><p>　　4.2同相

11、比例加法器14</p><p>　　4.3有源濾波電路15</p><p>　　4.4電壓比較器15</p><p><b>　　5設(shè)計小結(jié)16</b></p><p><b>　　6.參考文獻18</b></p><p><b>　　摘要</b&g

12、t;</p><p>　　信號發(fā)生器在生產(chǎn)生活中起著重要的作用。想要設(shè)計一個信號發(fā)生器，首先，使用運放構(gòu)成滯回比較器和積分器產(chǎn)生一個三角波信號，使用仿真軟件中電壓源輸出一個正弦信號。然后使用同相求和運算電路設(shè)計比例加法器將兩種波疊加，接著設(shè)計有源濾波器進行濾波，然后通過比較器進行比較輸出最終信號。此次實驗涉及信號的產(chǎn)生，比例加法器，濾波器，比較器等知識。是對所學知識的一次綜合考察。同時，也使得我學會運用仿真軟件。

13、</p><p>　　關(guān)鍵詞：比例加法器；濾波器；比較器；信號源；三角波發(fā)生器 ；TINA； </p><p><b>　　1方案論證</b></p><p><b>　　1.1方案一</b></p><p>　　利用lm324構(gòu)成的有源三角波發(fā)生電路可以產(chǎn)生標準的噪聲較小的三角波，但是，電路內(nèi)部需

14、要兩個運算放大器，所以不符合任務(wù)要求。因此，該方案不能采取。</p><p><b>　　1.2方案二</b></p><p>　　由于任務(wù)要求必須使用4個lm324完成，因此本方案將濾波電路改為無源低通濾波電路器將5kHz的波形濾掉，而保存500Hz波形。但是，無源低通濾波電路適用于高頻電路例如：整流電路，對信號的濾除作用較小或不明顯。因此，本方案不合要求，故不能使

15、用此方案。</p><p><b>　　1.3方案三</b></p><p>　　運放選擇：lm324系列運放市場上常用Texas Instruments，On Semi, ST Microelectronics。該系列運放共同點為使用溫度范圍均為70℃、最大工作電壓為32V、轉(zhuǎn)換速率為0.5V/us，不同點有封裝形式、引腳數(shù)目、共模抑制比等參數(shù)。針對課設(shè)要求：單電源

16、供電、使用四個運算放大器，可選擇了lm324N、lm324A等直插式運放。</p><p>　　電路圖：首先用lm324構(gòu)成方波發(fā)生電路，在使用無源積分電路將方波積分后變?yōu)槿遣?，然后將此三角波與正弦波（頻率500Hz，振幅200mV）通過同相比例加法器合成。接著，用lm324構(gòu)成有源低通一階濾波電路將高頻信號去除留下低頻信號。最后，將低頻信號和三角波通過電壓比較器進行比較輸出，其波形為矩形連續(xù)波形。本方案既節(jié)省

17、運放，而且波形輸出效果較好，故使用本方案進行。</p><p>　　仿真軟件：本次課程設(shè)計所用運算放大器為TI公司提供，為避免軟件方面帶來的誤差而選擇由TI公司推出的仿真軟件“TINA”。</p><p><b>　　2原理及技術(shù)指標</b></p><p>　　2.1三角波發(fā)生電路</p><p>　　因為矩形波電壓只

18、有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以滯回電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動的相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態(tài)應(yīng)按一定的時間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時間。</p><p>　　滯回比較器可用于產(chǎn)生矩形波、三角波和鋸齒波等各種非正弦波信號，也可用于波形變換電路。用于控制系統(tǒng)時，滯回比較器的主要優(yōu)點是抗干擾能力強。當

19、輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動時，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當調(diào)整滯回比較器兩個門限電平UT+和UT-的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復跳變。</p><p>　　滯回比較器的輸入電壓經(jīng)電阻R1加在集成運放的反響輸入端，參考電壓經(jīng)電阻R2接在同向輸入端，此外從輸出端通過電阻引回同向輸入端。電阻R和背靠背穩(wěn)壓管的作用是限幅，將輸出電壓的幅度限制在±UZ。</p><

20、;p>　　圖2 滯回比較器的輸入輸出波形</p><p>　　當集成運放反向輸入端和同向輸入端的電位相等，即時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。</p><p>　　其中， 則由參考電壓及輸出電壓兩者共同決定，而有兩種可能的狀態(tài)：+UZ或-UZ。由此可見，使輸出電壓由+UZ跳變成-UZ，以及由-UZ跳變成+UZ所需的輸如電壓值是不同的。也就是說，這兩種比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈

21、滯回形狀。</p><p>　　利用疊加原理可求的門限電平：</p><p>　　由以上兩式可求的門限寬度： </p><p>　　2.2同相比例加法器</p><p><b>　　依據(jù)：</b></p><p><b>　　得知：</b></p><p&

22、gt;<b>　　令得與的關(guān)系式</b></p><p>　　第二種方法 利用迭加原理求出及</p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p>　　當兩輸入端外電路平衡時，有</p><p>　　當時， 實現(xiàn)兩信號相加，且同相。</p><p>　　2.3有源二階

23、低通濾波電路</p><p>　　圖示為壓控電壓源二階低通濾波電路</p><p>　　壓控電壓源二階低通濾波電路既引入了負反饋，又引入了正反饋。當信號頻率趨于零時，由于C1的電抗趨于無窮大，因而正反饋很弱；當信號頻率趨于無窮大時，由于C2的電抗趨于零，因而趨于零。</p><p><b>　　設(shè)計計算公式如下：</b></p>

24、<p>　　截止角頻率： [6] ( )</p><p><b>　　增益因子： </b></p><p><b>　　由R~得，，又</b></p><p>　　若單位增益為1，則有</p><p>　　若單位增益大于1，則有</p><p><b&g

25、t;　　電阻 </b></p><p><b>　　2.4電壓比較器</b></p><p><b>　　圖5.1</b></p><p>　　圖5.1所示為一般單限比較器，為外加參考電壓。根據(jù)疊加原理，集成運放反相輸入端的電位</p><p><b>　　[1]</b&

26、gt;</p><p><b>　　令，則求出閾值電壓</b></p><p>　　3單元電路設(shè)計及參數(shù)計算</p><p>　　注意：1、下述運算放大器在仿真軟件TINA中均使用PNP型lm324n搭接電路并進行仿真。 </p><p>　　2、理論值計算均與實際仿真出入較大</p><p>　

27、　3.1矩形波及三角波發(fā)生電路及參數(shù)值</p><p>　　圖示1三角波電路及參數(shù)</p><p>　　由于信號發(fā)生器所用運放均為單電源供電，因此須對原理公式進行變形。</p><p><b>　　已知：，</b></p><p>　　振蕩周期： </p><p>　　此時，將代入，并預設(shè)

28、，可得到：</p><p>　　矩形波理論參數(shù)仿真：</p><p><b>　　矩形波調(diào)試后：</b></p><p>　　三角波經(jīng)過再次調(diào)試，逐次改變電阻電容值獲得最終三角波波形如下：</p><p>　　3.2比例加法器電路及參數(shù)值</p><p>　　圖示2比例加法器電路及參數(shù)</p

29、><p><b>　　根據(jù)原理公式：</b></p><p>　　所以，可令，則，由于當時，可省去原理圖中的R4，則可使。</p><p>　　3.3壓控電壓源二階低通濾波電路及參數(shù)值</p><p>　　圖示3壓控電壓源低通濾波電路及理論值</p><p>　　根據(jù)壓控電壓源二階低通濾波電路原理公式

30、可得：</p><p>　　由于要濾去5KHz的信號，因此取截止頻率，同時假設(shè)電壓增益，則，由此計算：</p><p>　　： </p><p><b>　　理論值仿真波形：</b></p><p><b>　　調(diào)試后：</b></p><p>　　有上面兩幅

31、圖像可看出：該壓控電壓源濾波電路不能實現(xiàn)峰峰值4~5V可調(diào)，最大僅能維持在4V左右，因此，可以要將保留，并與共同實現(xiàn)放大作用，改進后電路圖如下：</p><p><b>　　其輸出波形如下：</b></p><p>　　由此可見，該電路可使得峰峰值保持在9V左右，若改變的阻值，可控制輸出波形峰峰值在4~5V之間可調(diào)節(jié)，經(jīng)過調(diào)試得到如下結(jié)果；</p>&l

32、t;p><b>　　當時，</b></p><p><b>　　當時，</b></p><p>　　3.4電壓比較器電路及參數(shù)值</p><p>　　圖示4 電壓比較器電路及參數(shù)</p><p>　　圖示電路與理論電路圖區(qū)別在雙輸入，為實現(xiàn)比較要求，需要將兩個信號進行比較，因此需要對原電路圖進

33、行改進。穩(wěn)壓管使用1N5914，其穩(wěn)壓值為3.6V。</p><p><b>　　接入分兩種情況：</b></p><p>　　三角波接入正相端，得到如下波形：</p><p>　　三角波接入反相端，得到如下波形：</p><p><b>　　4仿真</b></p><p>

34、　　4.1三角波發(fā)生電路</p><p>　　圖示輸出結(jié)果接近4V，周期約為231us，接近5KHz。波形由于使用無源積分電路，不能像有源電路那樣達到較好效果，頂部尖而兩翼陡。</p><p>　　4.2同相比例加法器</p><p>　　圖示輸出結(jié)果為低頻正弦信號與高頻三角波信號的合成，高頻信號有自身變化同時隨著低頻信號的幅度再整體變化。</p>&

35、lt;p><b>　　4.3有源濾波電路</b></p><p>　　圖示輸出波形為經(jīng)過電容濾波后所得，其中5KHz高頻信號被濾去。</p><p><b>　　4.4電壓比較器</b></p><p>　　圖示結(jié)果為比較后所得。根據(jù)電路連接情況可知，反相端接入三角波信號，同相端接入濾波后信號U4，因此二者比較后高于

36、U4的部分為高電平輸出，而低于則為低電平輸出。</p><p><b>　　5設(shè)計小結(jié)</b></p><p>　　圖示5信號發(fā)生器整體電路圖</p><p>　　圖示7信號發(fā)生器各部分電路產(chǎn)生波形仿真圖</p><p>　　以上部分為本次課程設(shè)計——信號發(fā)生器的電路圖及波形圖。</p><p>

37、　　在這次課程設(shè)計中，主要針對信號發(fā)生器的設(shè)計，計算以及仿真驗證等問題進行探索研究，鞏固模擬電子技術(shù)相關(guān)知識，并運用所學知識完成對信號的分析和發(fā)生。</p><p>　　在設(shè)計信號發(fā)生器各部分電路圖時，首先應(yīng)當選擇適合的運算放大器電路，針對所需要的功能進行修改，其次，要簡單計算電路中的各個元件所需阻值、容值等參數(shù)，特別要注意計算時用到的各種公式是否正確，以及準確保留小數(shù)位數(shù)，換算數(shù)量級和單位。另外，在連接電路時必

38、須注意元件的放置應(yīng)當美觀，清楚電阻、電容、放大器等原件的編號要按順序，以便查找錯誤和仿真，而在本課程設(shè)計中，信號發(fā)生器有多個部分組成，因此要分模塊進行調(diào)試，逐次完成電路的連接以及仿真。同時，連接電路與仿真要配合進行，不能只連電路，后仿真，這樣做既麻煩又容易出錯，不易較快完成電路設(shè)計，而且無法及時糾正電路錯誤修正各元件的參數(shù)值。</p><p>　　通過設(shè)計仿真信號發(fā)生器的各部分電路，能夠明顯發(fā)現(xiàn)理論值與實際仿真值

39、存在巨大差異，這充分告訴我們在設(shè)計各種功能的電路時，不可以偏執(zhí)的認為仿真就能應(yīng)用于實際，也不能認為理論值就是正確無誤的，因此，我們需要辯證看待理論與實際的關(guān)系，依據(jù)實際情況對理論進行改正，同時，理論值的計算并不是一無是處的，它可以使我們更加靠近實際值，并且?guī)椭覀兎治鰡栴}所在。</p><p><b>　　6.參考文獻</b></p><p>　　[1] 童詩白 華成

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