多功能信号发生器课程设计

课题：多功能信号发生器专业：电子信息工程

班级：1班

学号：

姓名：

指导教师：汪鑫

设计日期：

成绩：

重庆大学城市科技学院电气学院

多功能信号发生器设计报告

一、设计目的作用

1.掌握简易信号发生器的设计、组装与调试方法。

2.能熟练使用multisim10电路仿真软件对电路进行设计仿真调试。

3.加深对模拟电子技术相关知识的理解及应用。

二、设计要求

1.设计任务

设计一个能够输出正弦波、方波、三角波三种波形的信号发生器，性能要求如下：

（1）输出频率，f=20Hz-5kHz 连续可调的正弦波、方波、三角波；

（2）输出正弦波幅度V=0-5V可调，波形的非线性失真系数<=5%；

（3）输出三角波幅度V=0-5V可调。

（4）输出方波幅度可在V=0-12V之间可调。

2.设计要求

（1）设计电路，计算电路元件参数，拟定测试方案和步骤；

（2）测量技术指标参数；

（3）写出设计报告。

三、设计的具体实现

1、系统概述

1.1正弦波发生电路的工作原理:

产生正弦振荡的条件:

正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路；反馈网络；选频网络；稳幅电路个部分。

正弦波振荡电路的组成判断及分类：

（1）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。

（2）选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。

（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。（4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。

判断电路是否振荡。方法是：

（1）是否满足相位条件，即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产

生振荡。

（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；

（3）是否满足幅度条件。

正弦波振荡电路检验，若：

(1)则不可能振荡；

(2)振荡，但输出波形明显失真；

(3)产生振荡。振荡稳定后。此种情况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小

常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。串并联网络在此作为选频和反馈网络。它的电路图如下所

示：它的起振条件为：。它的振荡频率为：它主要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC正弦波振荡电路。它的

振荡频率为：。石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定，它常用于振荡频率高度稳定的的场合。

RC正弦振荡电路

1.2 正弦波转换方波电路的工作原理:

在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。从反向输入端输人的滞回比较器电路如图a 所示，滞回比较器电路中引人了正反馈。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，

UO＝±UZ。集成运放反相输人端电位UP＝UI同相输入端电位

令UN=UP求出的UI就是阀值电压，因此得出

输出电压在输人电压u，等于阀值电压时是如何变化的呢？假设UI<-UT，那么UN一定小于up，因而UO＝+UZ，所以UP=+UYO。只有当输人电压UI增大到+UT，再增大一个无穷小量时，输出电压UO才会从+UT跃变为-UT。同理，假设UI>+UT，那么UN一定大于UP，因而UO＝-UZ，所以UP＝-UT。只有当输人电压UI减小到-UT，再减小一个无穷小量时，输出电压UO才会从-UT跃变为+UT。可见，UO从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的，电压传输特性如图b)所不。

从电压传输特性上可以看出，当-UT＜UI＜+UT时，UO可能是-UT，也可能是+UT。如果UI是从小于-UT，的值逐渐增大到-UT

实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输人电压足够大时，输出电压UO才为±UZ。UO在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中，随着UI的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引人

了正反馈，加快了UO的转换速度。例如，当UO＝+UZ、UP=+UT时，只要UI略大于+UT足以引起UO的下降，即会产生如下的正反馈过程：UO的下降导致UP下降，而UP的下降又使得UO进一步下降，反馈的结果使UO迅速变为－UT，从而获得较为理想的电压传输特性。

本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号，其传输特性曲线如下图所示：

正弦波传输特性

1.3 方波转换成三角波电路的工作原理：

当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：

2、单元电路设计与分析

2.1 正弦波发生电路的设计

本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，其电路图如下所示

RC桥式正弦振荡电路

该电路R

回路串联两个并联的二极管，如上图所示串联了两个并联的f

1BH62，这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。

此时输出电压系数为

A

u =1+(R

f

+r

d

)/R

1

RC振荡的频率为：f

=1/(2∏RC)

该电路中，C=1uF

f

=1/(2*3.14*R*10-6)≈20Hz——〉R=8000欧

f

=1/(2*3.14*R*10-6)≈5000Hz——〉R=30欧≈0 所以可变电阻的范围是0-8k欧。

用Multisim10.0对电路进行仿真得到下图

仿真波形

从图中可得出产生的正弦波U=3.9V;

T=1.9×4≈7.6ms.

F

=1/T=131Hz.

仿真得出的数据在理论值范围之内，电路正确。

2.2 正弦波转换方波电路的设计

本电路中采用滞回电压比较器将正弦波转成方波，其电路原理如下图所示

滞回电压比较器电路原理图

滞回电压比较器原理前面有描述，此处不赘述。

本电路中用到的稳压管，其稳压电压为24V

电路中阈值电压为：

U

T1=

R2

R1

R2

+

U REF-

2

R

1

R

1

R

+

U

Z

U

T2=

R2

R1

R2

+

U REF+

2

R

1

R

1

R

+

U

Z

本电路中U REF=0，所以

U

T1=-

2

R

1

R

1

R

+

U

Z

U T2=

2

R

1

R

1

R

+

U

Z

用Multisim10.0对其进行仿真得到如下波形图

波形仿真：

从波形中可以得到方波电压为±12.7V,与理论误差不大，可得出电路是正确的。

2.3 方波转换成三角波电路的设计

本电路中方波转成三角波采用积分电路，其电路原理如下图所示

积分电路图

积分电路U 0=- 2

1

)(RC 1

t t dt t u +u 0(t 1) 电路仿真如下图所示

电仿真中三角波,Umax=5.4V

2.4仿真电路

该电路分为三部分，第一部分为RC桥式正弦振荡电路，其功能是利用RC 振荡产生特定频率的正弦波；第二部分为电压比较器电路，其功能为将正弦波转成方波；第三部分为积分电路，其功能为利用积分电路将方波转成三角波；

在正弦波产生电路中f=1/(2∏RC),改变RC的值可以改变电路的信号频率，在电压比较器中，改变参考电压U REF的值可以改变方波的比例。

四、总结

这次课程设计是我受益匪浅，终生受益。让我学到了很多知识以及技能。感谢老师感谢学校。

当拿到课程设计题目时感觉很茫然，不知道从何入手，只有一张设计要求、没有工具、没有资料、没有材料，如何能完成设计要求呢！后来经过本人上网查资料了解到电路设计好了之后可以使用Multisim10对其进行仿真，无需将电路事物图做出来。用Multisim10对电路进行仿真真的很方便，而且安全，还便于对电路进行修改。

本次设计中采用电路模块化理念，将本来非常复杂的电路分解成一个个简单的单元电路，然后设计单元电路，单元电路设计起来就简单多了。最后将每个单元电路连接起来便成了一个复杂的，具有特定功能的电路。

本次设计中遇到了不少困难，但在老师同学的帮助下、在自己的努力下，还是一个一个的将问题解决了。个人感觉收获最大的就是学会了设计电路的这种方法和分析问题解决问题的思想。

五、参考文献

童诗白主编．模拟电子技术基础（第三版）．北京：高教出版社， 2006