1、華北科技學(xué)院電子課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 院 （部）： 專(zhuān) 業(yè)： 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào): 低頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)仿真研究設(shè)計(jì)報(bào)告目錄1、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 (一)設(shè)計(jì)任務(wù)（二）設(shè)計(jì)要求2、 設(shè)計(jì)作用和目的 （一）設(shè)計(jì)作用 （二）設(shè)計(jì)目的3、 設(shè)計(jì)方案的選擇與論證4、 總結(jié)及心得5、 附錄6、 參考文獻(xiàn)一、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求（一） 設(shè)計(jì)任務(wù)1、 查找參考資料。2、 分析電路的功能并設(shè)計(jì)電路的單元電路。（1） 文氏振蕩器（2） 負(fù)反饋穩(wěn)幅電路（3） 差放電路（4） 功放電路（5） 闡述整體電路的工作3、 查找圖中相應(yīng)元件的參數(shù)，找出國(guó)內(nèi)外對(duì)應(yīng)元件的型號(hào)。4、 用EWB或Multisim軟件進(jìn)行電

2、路仿真，說(shuō)明仿真過(guò)程，打印仿真原理圖與仿真結(jié)果。5、 用EWB或Multisim畫(huà)出系統(tǒng)點(diǎn)原理圖，并用A3圖紙繪出。（二） 設(shè)計(jì)要求1、 方案設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)選擇合理的設(shè)計(jì)方案。2、 硬件設(shè)計(jì)。選擇硬件元件，說(shuō)明其工作原理及設(shè)計(jì)過(guò)程，使用PROTEL軟件畫(huà)出硬件電路PCB板。3、 要求有目錄、參考資料、結(jié)語(yǔ)。4、 課設(shè)頁(yè)數(shù)不少于20頁(yè)。5、 按照規(guī)范要求，按時(shí)提交課程設(shè)計(jì)報(bào)告，并完成課程設(shè)計(jì)答辯。二、 設(shè)計(jì)的作用和目的（一） 設(shè)計(jì)的作用低頻信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量中不可缺少的設(shè)備之一。完成一個(gè)低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，可以達(dá)到對(duì)模擬電路知識(shí)較全面的運(yùn)用和掌握。（二） 設(shè)計(jì)的目的電子電路設(shè)計(jì)及制作課程

3、設(shè)計(jì)是電子技術(shù)課程的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)該教學(xué)環(huán)節(jié)，要求達(dá)到以下目的：1、 學(xué)習(xí)、掌握電子電路設(shè)計(jì)的方法和步驟。2、 掌握PROTEL等常用設(shè)計(jì)軟件的使用方法。3、 進(jìn)一步掌握模擬電子技術(shù)的理論知識(shí)，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)能力和綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。4、 熟悉并學(xué)會(huì)選用電子元器件。三、設(shè)計(jì)方案的選擇與論證 (一)、單元方案的設(shè)計(jì) 根據(jù)要求，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生部分可采用多種方案，由于波形信號(hào)的 產(chǎn)生和模擬聯(lián)系密切，所以可用模擬電路實(shí)現(xiàn)方案，即全部采用模擬電路 的方式，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生電路的所有功能。方案一 用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，然后用過(guò)零比較器產(chǎn)生方波，再經(jīng)過(guò)積分電路產(chǎn)生三角波。此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具

4、有良好的正弦波和方波。再經(jīng)過(guò)積分器電路產(chǎn)生同步的三角波信號(hào)，有難度。因?yàn)榉e分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小可保持三角波的輸出幅度不變。方案二 由三角波，方波發(fā)生器產(chǎn)生三角波和方波信號(hào)，然后通過(guò)函數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將三角波信號(hào)換成正弦波信號(hào)。這種電路在一定的頻率范圍內(nèi)，具有良好的三角波信號(hào)。而正弦波信號(hào)的質(zhì)量，與函數(shù)轉(zhuǎn)換電路的形式有關(guān)。方案一的電路結(jié)構(gòu)、思路簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計(jì)要求，關(guān)于三角波的缺陷，可在積分電路添加可變電阻和可調(diào)電容來(lái)調(diào)節(jié)其時(shí)間參數(shù)。而方案二，關(guān)于產(chǎn)生正弦波的轉(zhuǎn)換電路比較復(fù)雜，波形質(zhì)

5、量不理想，且頻率調(diào)節(jié)不如方案一簡(jiǎn)單方便。所以選方案一。3、 電路設(shè)計(jì)與分析 （一）低頻信號(hào)發(fā)生器的主要性能指標(biāo)1. 頻率范圍：20H200zHz2. 頻率穩(wěn)定度：0.10.4/小時(shí)。3. 非線性失真：不超過(guò)13%4. 輸出電壓：010V5. 輸出功率：0.55W6. 輸出阻抗：對(duì)于需要功率輸出的信號(hào)發(fā)生器，為了與負(fù)載完美匹配以減小波形失真和獲最大輸出功率，必須有輸出變壓器來(lái)改變阻抗以獲得最佳匹配。7. 輸出形勢(shì)：低頻信號(hào)發(fā)生器應(yīng)可以平衡輸出與不平衡輸出。（二）低頻信號(hào)發(fā)生器電路組成低頻信號(hào)發(fā)生器的原理方框如圖所示。包括主振級(jí)、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器和

6、指示電壓。1.主振器主振器是低傾信號(hào)發(fā)生器的核心電路。它產(chǎn)生狽率可調(diào)的正弦倍號(hào)，決定了信號(hào)發(fā)生器的有效預(yù)率范圍和頻率德定度。低傾信號(hào)發(fā)生器中產(chǎn)生振蕩信號(hào)的方法很多，但目前主要采用RC文氏橋振蕩器.圖3-2所示的報(bào)蕩器由兩級(jí)RC網(wǎng)絡(luò)和放大器組成。圖中R,和Cl. R2, C2組成正反演臂，跨接于放大器的軸入端和翰出端之間.產(chǎn)生了正弦振蕩。振蕩叔率由RI, C1和R2, C:各元件參數(shù)決定。A為兩級(jí)放大器，R1, R.組成負(fù)反演臂.起到自動(dòng)祖幅作用。該電路的振蕩撅率Io由上式可知，改變電阻R(R1或R2)電阻C(C1或C2)的大小均可以改變輸出信號(hào)的振蕩頻率。通常電阻R用于頻率微調(diào)，電容C用于頻率

7、粗調(diào)，輸出信號(hào)的幅度由輸出衰減器控制。低頻信號(hào)發(fā)生器的主振級(jí)幾乎都采用RC橋式振蕩電路。這種振蕩器的頻率調(diào)節(jié)方便，調(diào)節(jié)范圍也較寬。RC橋式振蕩器是一種反饋式振蕩器，其原理電路如圖1-2所示。T,、 T，構(gòu)成同相2.電壓放大器電壓放大器兼有隔離和電壓放大的作用。隔離是為了不使后級(jí)電路影響主振蕩器的工作;放大是把振蕩器產(chǎn)生的微弱振蕩信號(hào)進(jìn)行放大，使信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓達(dá)到預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，要求其具有輸入阻抗高、輸出阻抗低(有一定的帶負(fù)載能力)、頻率范圍寬、非線性失真小等性能。一般采用射極跟隨器或運(yùn)算放大器組成的電壓跟隨器。3.輸出衰減器輸出衰減器用于改變信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓或功率。通常分為連續(xù)調(diào)節(jié)和

8、步進(jìn)調(diào)節(jié)。連續(xù)調(diào)節(jié)由電阻電位器實(shí)現(xiàn)，即輸出微調(diào);步進(jìn)調(diào)節(jié)由波段轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)步進(jìn)調(diào)節(jié)電阻分壓器實(shí)現(xiàn)并以分見(jiàn)值為刻度，也稱(chēng)為輸出粗調(diào)。（3） 、單元電路的設(shè)計(jì)一 . 文氏震蕩器（主震器）的設(shè)計(jì) 從電路構(gòu)成看，電路由兩個(gè)“橋臂”構(gòu)成，R1、RF構(gòu)成負(fù)反饋橋臂，并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)和串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)再串聯(lián)構(gòu)成正反饋橋臂。也就是說(shuō)，文氏橋振蕩器既有正反饋，又有負(fù)反饋。我們知道，正反饋電路是不穩(wěn)定系統(tǒng)，那么，整個(gè)電路到底表現(xiàn)為正反饋，還是負(fù)反饋呢？這要取決于正反饋和負(fù)反饋哪個(gè)占“上風(fēng)”！負(fù)反饋增益為A1=1+RF/R1正反饋增益A2(jf)=1/(3+j(f/f0-f0/f)總增益A(jf)=A1*A2(jf)=(1+R

9、F/R1)/(3+j(f/f0-f0/f)上式中f0=1/2RC，先定性分析：頻率無(wú)窮低時(shí)，即f趨于0時(shí)，f0/f趨于無(wú)窮大，總增益趨于零。頻率無(wú)窮高時(shí)，即f趨于時(shí)，f/f0趨于無(wú)窮大，總增益趨于零。直觀判斷，是一個(gè)帶通網(wǎng)絡(luò)，事實(shí)上，的確如此，并且增益的峰值出現(xiàn)在f=f0此時(shí)A（jf）=(1+RF/R1)/3即：A（jf）是實(shí)數(shù)，也就是說(shuō)，頻率為f0的信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)路一周后，其相移為0RF/R1的值不同時(shí)，電路出現(xiàn)下述三種情況：a、A<1時(shí)，假如電路有一個(gè)擾動(dòng)，擾動(dòng)每經(jīng)過(guò)環(huán)路一次，信號(hào)被衰減，負(fù)反饋占“上風(fēng)”，電路是穩(wěn)定系統(tǒng)，最終擾動(dòng)趨于零。b、A>1時(shí)，假如電路有一個(gè)擾動(dòng)，擾動(dòng)每經(jīng)過(guò)

10、環(huán)路一次，信號(hào)被放大，正反饋占“上風(fēng)”，電路是不穩(wěn)定系統(tǒng)，出現(xiàn)幅度不斷增大的振蕩。c、A=1時(shí)，負(fù)反饋與正反饋“旗鼓相當(dāng)”，電路為中性的穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，頻率為f0的信號(hào)分量維持原有大小，無(wú)限的持續(xù)下去。顯然，上述電路還會(huì)有問(wèn)題，首先，實(shí)際不可能做到A=1，其次，振蕩器的輸出幅值不可控。為此，最好是開(kāi)始時(shí)，振蕩幅值足夠大之前，A>1，振蕩幅值達(dá)到預(yù)定的幅值之后，A=1，顯然，這樣的電路，需要加入一些非線性環(huán)節(jié)。下述電路就是這樣的電路：仿真軟件搭建的電路與仿真分析過(guò)程（1） 選取𝑅1=𝑅2=R，𝐶1=C2=C，從RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)

11、絡(luò)的選頻特性可知，𝑓0=1/2𝜋RC=500Hz所以可以選取R=1.6k，C=200nF。2） 令R1、C1并聯(lián)的阻抗為Z1，R2、C2串聯(lián)的阻抗為Z2，及w0=1/RC,則Z1=R/1+jwRC,Z2=R+1/jwc。反饋系數(shù)為。由此可得RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性與相頻特性分別是當(dāng)f=𝑓0，即=𝜔0， 𝑈𝑓 =1/3𝑈𝑜 ，𝜑𝑓=0𝑜。聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)配一個(gè)電壓放大倍數(shù)等于3的放大電路就可以構(gòu)

12、成正弦波振蕩電路。考慮到起振條件，所選放大電路的電壓放大倍數(shù)應(yīng)該略大于3。根據(jù)起振條件和幅值平衡條件 既 一般RF2略大于2RF12、 負(fù)反饋穩(wěn)幅電路根據(jù)課題任務(wù)，所要設(shè)計(jì)的低頻信號(hào)發(fā)生器由三大部分組成：正弦信號(hào)發(fā)生部分信號(hào)輸出部分穩(wěn)幅部分 其中由正弦信號(hào)發(fā)生部分的電路產(chǎn)生所需要的正弦信號(hào)，由輸出電路將信號(hào)放大后進(jìn)行輸出，再由穩(wěn)幅電路部分從輸出的信號(hào)采樣反饋回信號(hào)發(fā)生部分進(jìn)行穩(wěn)幅。1.正弦信號(hào)發(fā)生部分可以有以下實(shí)現(xiàn)方案：以晶體管為核心元件，加RC（文氏橋或移相式）或LC（變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式、晶振等）選頻網(wǎng)絡(luò)以及穩(wěn)幅電路等構(gòu)成的分立元件正弦波振蕩電路。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、廉價(jià)

13、，但由于采用分立元件，穩(wěn)定性較差，元件較多時(shí)調(diào)節(jié)也較麻煩。以集成運(yùn)放為核心元件，加RC（文氏橋或移相式）或LC（變壓器反饋式、電感三點(diǎn)式、電容三點(diǎn)式、晶振等）選頻網(wǎng)絡(luò)以及穩(wěn)幅電路等構(gòu)成的正弦波振蕩電路。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是更為簡(jiǎn)單，性?xún)r(jià)比較好，但頻率精度和穩(wěn)定性較差。以集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器為核心元件，加適當(dāng)?shù)耐鈬?gòu)成正弦波產(chǎn)生電路。例如函數(shù)發(fā)生器ICL8038芯片加電阻、電容元件，在一定電壓控制下，可以產(chǎn)生一定頻率的方波、三角波和正弦波。這種電路的優(yōu)點(diǎn)時(shí)調(diào)節(jié)方便，在所采用的外圍元件穩(wěn)定性好的情況下，可以得到較寬頻率范圍的，且穩(wěn)定性、失真度和現(xiàn)行度很好的正弦信號(hào)利用鎖相環(huán)（PLL）技術(shù)構(gòu)成的高頻率

14、精度的頻率合成器。其框圖如下圖所示。這種電路主要是利用鎖相，即使現(xiàn)象未同步技術(shù)來(lái)獲得頻率高穩(wěn)定度，且頻率可步進(jìn)變化的振蕩源?，F(xiàn)在已有集成鎖相環(huán)電路芯片，例如CC4046，輔以參考頻率源、分頻器等外圍電路后，即可構(gòu)成頻率合成器。直接數(shù)字合成（DDS）正弦信號(hào)源。下圖為DDS的原理框圖。由圖可知，這是一種數(shù)字系統(tǒng)。其工作原理是將所需正弦信號(hào)的一個(gè)周期的離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存于數(shù)字波形存儲(chǔ)器（ROM或RAM）中，按一定的地址間隔（即相位增量）讀出，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號(hào)，低通濾波器用來(lái)濾去D/A帶來(lái)的小臺(tái)階以及其他雜波信號(hào)。改變地址間隔的步長(zhǎng)，可改變輸出正弦信號(hào)的頻率。DDS的頻率精度和穩(wěn)定度

15、由系統(tǒng)的時(shí)鐘決定。DDS可合成產(chǎn)生任意波形的信號(hào)，只要把所需波形預(yù)先計(jì)算好并存于數(shù)字波形存儲(chǔ)器中，DDS就可以合成出方波、三角波及各種調(diào)制波形和任意形狀的波形。目前有專(zhuān)用的DDS集成電路芯片，其時(shí)鐘頻率最高可達(dá)1GHz以上，產(chǎn)生的正弦信號(hào)頻率可達(dá)數(shù)百兆赫。本課題對(duì)所產(chǎn)生的正弦信號(hào)的頻率精度沒(méi)有要求，再考慮模擬電路課程的基本內(nèi)容和課程設(shè)計(jì)的目的，選擇和方案較為合適。因?yàn)檎n題要求的低頻信號(hào)振蕩頻率一般在幾十千赫以下，應(yīng)選擇RC選頻網(wǎng)絡(luò)的正弦振蕩電路（LC選頻網(wǎng)絡(luò)適合于振蕩頻率在1MHz以上的高頻，RC選頻網(wǎng)絡(luò)適合于幾百千赫以下的低頻）。2穩(wěn)幅方案常用的穩(wěn)幅方法是根據(jù)震蕩幅度的變化來(lái)改變負(fù)反饋的強(qiáng)弱

16、 ，若振幅增大，負(fù)反饋系數(shù)組成部分F=就自動(dòng)變大，加強(qiáng)負(fù)反饋，限制振幅繼續(xù)增長(zhǎng)；反之，若振幅減小，負(fù)反饋系數(shù)就自動(dòng)變小，減弱負(fù)反饋，防止振幅繼續(xù)下降，從而達(dá)到穩(wěn)幅的目的。五.附錄常用電阻器標(biāo)稱(chēng)阻值：允許誤差系列代號(hào)系列值（10的n次方，n為整數(shù)）±5%E241.1、1.2、1.3、1.5、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.7、3.0 、3.3、3.6、3.9、4.3、4.7、5.1、5.6、6.2、6.8、7.5、8.2、9.1±10%E121.2、1.5、1.8、2.2、2.7、3.3、3.9、4.7、5.6、6.8、8.2±20%E61.0、1.5、

17、2.2、3.3、4.7、6.8常用電容器的種類(lèi)、特點(diǎn)及容量標(biāo)稱(chēng)系列值：類(lèi)型特點(diǎn)允許偏差容量范圍容量標(biāo)稱(chēng)值紙介容量大穩(wěn)定性差，適宜低頻電路±5%100pF1F1.0；1.5；2.2；2.3；4.7；6.8金屬化紙介±10%低頻極性有機(jī)薄膜介質(zhì)性能比紙介好，體積小，容量大，穩(wěn)定性好，適宜做旁路電容±20%1100F1；2；4；6；8；10；15；20；30；60；80；100陶瓷穩(wěn)定性耐熱性好，適宜高頻電路±5%其容量為標(biāo)稱(chēng)值乘以，n為整數(shù)1.0;1.1；1.2；1.3；1.5；1.6；1.8；2.0；2.2；2.4；2.7；3.0；3.3；3.6；3.9；

18、4.3；4.7；5.1；5.6；3.9；4.3；4.7；5.1；5.6；6.2；6.8；7.5；8.2；9.1云母精度高穩(wěn)定性好，適宜高頻電路±10%高頻無(wú)極性有機(jī)薄膜介質(zhì)穩(wěn)定性好，適宜高頻電路，其中聚四氟乙烯介質(zhì)可耐高溫250，聚苯乙烯介質(zhì)溫度性能較差±20%鋁電解電容適宜電源濾波和低頻電路±10%20%其容量為標(biāo)稱(chēng)值乘以，n為整數(shù)，容量單位為F1.0；1.5；2.2；3.3；4.7；6.8鉭電解電容體積小，容量大，性能穩(wěn)定，價(jià)格高，適宜要求較高的設(shè)備-20%+50%鈮電解電容-10%+100%類(lèi)別型號(hào)MHzmAmWV2N類(lèi)相似器件型號(hào)低頻小功管3AX55C0.

19、5300240652N1614，2N20423AX85B4.250150252N1128，2N11903BX31A3125150252N1391，2N13023BX85B7400120252N1091，2N13063BX91C7300150402N1000，2N1304高頻小功管3AG633010120602N12263CG110B10050150302N860，2N29063DG112D73060200302N4292，2N9183DG110A30030500452N929，2N24843DG130C200220360252N920，2N834高頻大功管3DA100A1805A4W453DA

20、100B2205A4W553DA101A501A7.5W303DA101B701A7.5W453DA150A500.1A1W100低頻大功管3AD54B1.55×1.25×752N2147，2N36183AD56B6×30×802N1666，2N36153AD57A5×106×402N3611，2N1544（A）3DD53C0.5×5×602N1067，2N3766部分常用三極管類(lèi)型及參數(shù)部分常用集成運(yùn)放及其主要參數(shù)如下表所示 型號(hào)電源電壓范圍V開(kāi)環(huán)差模電壓增益dB共模抑制比dB差模輸入電阻M增益帶寬積MHz轉(zhuǎn)換速率SRV/功耗MW運(yùn)放類(lèi)型CF7412294700.31.20.5<120通用型CF34