信號(hào)發(fā)生器課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　課程設(shè)計(jì)名稱(chēng)： 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目： 信號(hào)發(fā)生器 </p><p>　　學(xué) 期：2012-2013學(xué)年第2學(xué)期</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 </p><p>　　班

2、級(jí)： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)</b></p><p><b

3、>　　一、設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　集成運(yùn)放應(yīng)用電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　請(qǐng)使用一片LM324或其他四運(yùn)放芯片，實(shí)現(xiàn)下述功能（整體框圖見(jiàn)下圖）：</p><p>　　1.使用運(yùn)放，產(chǎn)生一個(gè)三角波信號(hào)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(hào)源輸出一個(gè)正弦波信號(hào)U2，頻率為500Hz，峰峰值為200 mV。</p><p>　　3.設(shè)計(jì)一個(gè)比例加法器，輸出信號(hào)為U3，U3 = U1 + 10U2</p><p>　　4.設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)一個(gè)比較器電路，對(duì)U1和U4信號(hào)進(jìn)行比較，輸出信號(hào)為U5，峰峰值為3V。</p><p>　　要求運(yùn)放使用+12V單電源供電。</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)計(jì)劃</b></p><p>　　電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)共1周。</p><p>　　第1天：針對(duì)選題查資料，確定設(shè)計(jì)方案；</

6、p><p>　　第2天：方案分析比較，電路原理設(shè)計(jì)，進(jìn)行元器件及參數(shù)選擇；</p><p>　　第3～4天：電路仿真，畫(huà)電路原理圖,要求至少用Multisim；</p><p>　　第5天：編寫(xiě)整理設(shè)計(jì)報(bào)告，格式必須準(zhǔn)確。</p><p><b>　　四、設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　1. 畫(huà)

7、出整體電路圖。</p><p>　　2. 對(duì)所設(shè)計(jì)的電路全部或部分進(jìn)行仿真，使之達(dá)到設(shè)計(jì)任務(wù)要求。抓圖背景為白色。</p><p>　　3. 寫(xiě)出設(shè)計(jì)報(bào)告書(shū)。</p><p>　　時(shí) 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(biāo)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(jì)及參數(shù)計(jì)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(jì)小結(jié)16</b></p><p><b>　　6.參考文獻(xiàn)18</b></p><p><b>　　摘要</b&g

12、t;</p><p>　　信號(hào)發(fā)生器在生產(chǎn)生活中起著重要的作用。想要設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)發(fā)生器，首先，使用運(yùn)放構(gòu)成滯回比較器和積分器產(chǎn)生一個(gè)三角波信號(hào)，使用仿真軟件中電壓源輸出一個(gè)正弦信號(hào)。然后使用同相求和運(yùn)算電路設(shè)計(jì)比例加法器將兩種波疊加，接著設(shè)計(jì)有源濾波器進(jìn)行濾波，然后通過(guò)比較器進(jìn)行比較輸出最終信號(hào)。此次實(shí)驗(yàn)涉及信號(hào)的產(chǎn)生，比例加法器，濾波器，比較器等知識(shí)。是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合考察。同時(shí)，也使得我學(xué)會(huì)運(yùn)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)的噪聲較小的三角波，但是，電路內(nèi)部需

14、要兩個(gè)運(yùn)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(gè)lm324完成，因此本方案將濾波電路改為無(wú)源低通濾波電路器將5kHz的波形濾掉，而保存500Hz波形。但是，無(wú)源低通濾波電路適用于高頻電路例如：整流電路，對(duì)信號(hào)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(yùn)放選擇：lm324系列運(yùn)放市場(chǎng)上常用Texas Instruments，On Semi, ST Microelectronics。該系列運(yùn)放共同點(diǎn)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(diǎn)有封裝形式、引腳數(shù)目、共模抑制比等參數(shù)。針對(duì)課設(shè)要求：?jiǎn)坞娫?/p>

16、供電、使用四個(gè)運(yùn)算放大器，可選擇了lm324N、lm324A等直插式運(yùn)放。</p><p>　　電路圖：首先用lm324構(gòu)成方波發(fā)生電路，在使用無(wú)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(guò)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(hào)去除留下低頻信號(hào)。最后，將低頻信號(hào)和三角波通過(guò)電壓比較器進(jìn)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(yùn)放，而且波形輸出效果較好，故使用本方案進(jìn)行。</p><p>　　仿真軟件：本次課程設(shè)計(jì)所用運(yùn)算放大器為T(mén)I公司提供，為避免軟件方面帶來(lái)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(biāo)</b></p><p>　　2.1三角波發(fā)生電路</p><p>　　因?yàn)榫匦尾妷褐?/p>

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?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)的相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)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(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)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(hào)，也可用于波形變換電路。用于控制系統(tǒng)時(shí)，滯回比較器的主要優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)

19、輸入信號(hào)受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回比較器兩個(gè)門(mén)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(fù)跳變。</p><p>　　滯回比較器的輸入電壓經(jīng)電阻R1加在集成運(yùn)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(guò)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(dāng)集成運(yùn)放反向輸入端和同向輸入端的電位相等，即時(shí)，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(jiàn)，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(shuō)，這兩種比較器有兩個(gè)不同的門(mén)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(mén)限電平：</p><p>　　由以上兩式可求的門(mén)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>　　（）</b></p><p>　　當(dāng)兩輸入端外電路平衡時(shí)，有</p><p>　　當(dāng)時(shí)， 實(shí)現(xiàn)兩信號(hào)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(fù)反饋，又引入了正反饋。當(dāng)信號(hào)頻率趨于零時(shí)，由于C1的電抗趨于無(wú)窮大，因而正反饋很弱；當(dāng)信號(hào)頻率趨于無(wú)窮大時(shí)，由于C2的電抗趨于零，因而趨于零。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)計(jì)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(yùn)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(jì)及參數(shù)計(jì)算</p><p>　　注意：1、下述運(yùn)算放大器在仿真軟件TINA中均使用PNP型lm324n搭接電路并進(jìn)行仿真。 </p><p>　　2、理論值計(jì)算均與實(shí)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(hào)發(fā)生器所用運(yùn)放均為單電源供電，因此須對(duì)原理公式進(jìn)行變形。</p><p><b>　　已知：，</b></p><p>　　振蕩周期： </p><p>　　此時(shí)，將代入，并預(yù)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(guò)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(dāng)時(shí)，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(hào)，因此取截止頻率，同時(shí)假設(shè)電壓增益，則，由此計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)放大作用，改進(jìn)后電路圖如下：</p><p><b>　　其輸出波形如下：</b></p><p>　　由此可見(jiàn)，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(guò)調(diào)試得到如下結(jié)果；</p>&l

32、t;p><b>　　當(dāng)時(shí)，</b></p><p><b>　　當(dāng)時(shí)，</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(shí)現(xiàn)比較要求，需要將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，因此需要對(duì)原電路圖進(jìn)

33、行改進(jìn)。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(wú)源積分電路，不能像有源電路那樣達(dá)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(hào)與高頻三角波信號(hào)的合成，高頻信號(hào)有自身變化同時(shí)隨著低頻信號(hào)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(guò)電容濾波后所得，其中5KHz高頻信號(hào)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(hào)，同相端接入濾波后信號(hào)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(jì)小結(jié)</b></p><p>　　圖示5信號(hào)發(fā)生器整體電路圖</p><p>　　圖示7信號(hào)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(jì)——信號(hào)發(fā)生器的電路圖及波形圖。</p><p>

37、　　在這次課程設(shè)計(jì)中，主要針對(duì)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，計(jì)算以及仿真驗(yàn)證等問(wèn)題進(jìn)行探索研究，鞏固模擬電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)完成對(duì)信號(hào)的分析和發(fā)生。</p><p>　　在設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器各部分電路圖時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)選擇適合的運(yùn)算放大器電路，針對(duì)所需要的功能進(jìn)行修改，其次，要簡(jiǎn)單計(jì)算電路中的各個(gè)元件所需阻值、容值等參數(shù)，特別要注意計(jì)算時(shí)用到的各種公式是否正確，以及準(zhǔn)確保留小數(shù)位數(shù)，換算數(shù)量級(jí)和單位。另外，在連接電路時(shí)必

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

39、存在巨大差異，這充分告訴我們?cè)谠O(shè)計(jì)各種功能的電路時(shí)，不可以偏執(zhí)的認(rèn)為仿真就能應(yīng)用于實(shí)際，也不能認(rèn)為理論值就是正確無(wú)誤的，因此，我們需要辯證看待理論與實(shí)際的關(guān)系，依據(jù)實(shí)際情況對(duì)理論進(jìn)行改正，同時(shí)，理論值的計(jì)算并不是一無(wú)是處的，它可以使我們更加靠近實(shí)際值，并且?guī)椭覀兎治鰡?wèn)題所在。</p><p><b>　　6.參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 童詩(shī)白 華成

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