低频信号发生器设计报告

低频信号发生器设计报告一.设计要求（一）设计题目要求1．分析电路的功能并设计电路的单元电路2．查找图中相应元件的参数，找出国外对应元件的型号3．用EWB或Multisim软件进行电路仿真，打印仿真原理图和仿真结果4．用A3图纸绘出系统电路原理图（二）其他要求1．必须独立完成设计课题2．合理选用元器件3．要求有目录、参考资料、结语4．论文页数不少于20页二.设计的作用、目的（一）设计的作用低频信号发生器是电子测量中不可缺少的设备之一。

完成一个低频信号发生器的设计，可以达到对模拟电路知识较全面的运用和掌握。

（二）设计的目的电子电路设计及制作课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：1．进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；2．基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；3．熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

三.设计的具体实现（一）系统概述根据课题任务，所要设计的低频信号发生器由三大部分组成：⑴正弦信号发生部分⑵信号输出部分⑶稳幅部分其中由正弦信号发生部分的电路产生所需要的正弦信号，由输出电路将信号放大后进行输出，再由稳幅电路部分从输出的信号采样反馈回信号发生部分进行稳幅。

1.正弦信号发生部分可以有以下实现方案：⑴以晶体管(晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。

开关速度可以非常快）为核心元件，加RC（文氏桥或移相式）或变压器反LC（馈式、电感三点式、电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的分立元件正弦波振荡电路。

这种电路的优点是简单、廉价，但由于采用分立元件，稳定性较差，元件较多时调节也较麻烦。

⑵以集成运放为核心元件，加RC（文氏桥或移相式）或LC（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的正弦波振荡电路。

这种电路的优点是更为简单，性价比较好，但频率精度和稳定性较差。

⑶以集成函数信号发生器为核心元件，加适当的外围元件构成正弦波产生电路。

例如函数发生器ICL8038芯片加电阻、电容元件，在一定电压控制下，可以产生一定频率的方波、三角波和正弦波。

这种电路的优点时调节方便，在所采用的外围元件稳定性好的情况下，可以得到较宽频率围的，且稳定性、失真度和现行度很好的正弦信号。

⑷利用锁相环（PLL）技术构成的高频率精度的频率合成器。

其框图如下图所示。

这种电路主要是利用锁相，即使现象未同步技术来获得频率高稳定度，且频率可步进变化的振荡源。

现在已有集成锁相环电路芯片，例如CC4046，辅以参考频率源、分频器等外围电路后，即可构成频率合成器。

⑸直接数字合成（DDS）正弦信号源。

下图为DDS的原理框图。

的离散样点的幅值数字量存于数字波形存储器（ROM 或RAM ）中，按一定的地址间隔（即相位增量）读出，再经D/A 转换成模拟正弦信号，低通滤波器用来滤去D/A 带来的小台阶以及其他杂波信号。

改变地址间隔的步长，可改变输出正弦信号的频率。

DDS 的频率精度和稳定度由系统的时钟决定。

DDS 可合成产生任意波形的信号，只要把所需波形预先计算好并存于数字波形存储器中，DDS 就可以合成出方波、三角波及各种调制波形和任意形状的波形。

目前有专用的DDS 集成电路芯片，其时钟频率最高可达1GHz 以上，产生的正弦信号频率可达数百兆赫。

本课题对所产生的正弦信号的频率精度没有要求，再考虑模拟电路课程的基本容和课程设计的目的，选择⑴和⑵方案较为合适。

因为课题要求的低频信号振荡频率一般在几十千赫以下，应选择RC 选频网络的正弦振荡电路（LC 选频网络适合于振荡频率在1MHz 以上的高频，RC 选频网络适合于几百千赫以下的低频）。

2．稳幅方案常用的稳幅方法是根据震荡幅度的变化来改变负反馈的强弱 ，若振幅增大，负反馈系数F=Fs s R R R 就自动变大，加强负反馈，限制振幅继续增长；反之，若振幅减小，负反馈系数就自动变小，减弱负反馈，防止振幅继续下降，从而达到稳幅的目的。

因此，有三种稳幅方案可供选择：⑴利用二极管的非线性特性完成自动图1利用二极管的非线性特性完成自动稳幅的电路，如图1所示，为了保证上、下振幅对称，在图的电路中，两支稳幅二极管1D 和2D 必须匹配，从提高温度稳定性来看，宜选用硅管。

不难看出，在振荡过程中，1D 和2D 将交替导通和截止，并与3R 电阻并联，因此利用二极管的非线性正相导通电阻D r 的变化就能改变负反馈的强弱。

当振幅增大时，D r 减小，负反馈加强，限制幅度继续增大；反之，当振幅减小时，D r 增大，负反馈减弱，防止振荡继续下降，进而达到稳幅的目的。

这种电路简单经济，但它的温度系数较小，输出波形失真较大，适合于要求不高的场所。

⑵采用热敏电阻作负反馈电阻F R 进行稳幅图2如图2所示，当输出电压o u 因外界条件增大时，流过F R 的电流增大，F R 温度升高，电阻变小，负反馈系数F=1+RR F 变小，从而使输出幅度减小。

反之，当o u 因外界条件减小时，流过F R 的电流减小，F R 温度降低，电阻变大，负反馈系数F=1+RR F 变大，从而使输出幅度增大，从而达到稳幅的目的。

用二敏电阻进行稳幅的优点是电路简单，失真度低；缺点是热敏电阻本身受环境温度影响，使输出幅度变化。

⑶用N 沟道结型场效应管组成的压敏电阻ds R 进行稳幅图3原理图如图3所示，运算放大器1A 接成负半波放大器，并与W 、4R 、1C 、T 等元件构成负反馈稳幅电路。

当输出幅度减小，导致1A 的输入减小，输出负值的绝对值也减小，即场效应管栅极电位上升，引起其等效电阻下降，所以2A的闭环增益升高，使输出幅度回升。

当输出幅度增大，导致A的输入增大，1输出负值的绝对值也增大，即场效应管栅极电位降低，引起其等效电阻上升，所以A的闭环增益降低，使输出幅度回落。

从而达到稳幅的目的。

23.输出电路部分设计输出部分有以下设计方案⑴射极输出器。

这种电路的特点是电路简单，输出波形好，输入电阻高，输出电阻低，可对前级电路和负载起到隔离作用，同时带负载能力也强，虽然电压放大倍数近似为1，但电流放大倍数大，因此有一定的功率输出能力。

这种电路的缺点是由于三机管工作在近似甲类状态，因此效率低（低于50%）。

在要求高功率、高效率的情况下，不能满足要求。

一般用于输出功率和效率要求低的场合。

⑵BJT管OCL或OTL功率放大电路。

这两种功率输出电路在选择合适的元器件和电源电压后可以设计出有较大功率输出，效率低于75%的技术指标来。

这两种电路的缺点是调整比较费事，BJT功率管及电路的对称性不容易做到，因此在要求高功率、高效率的情况下，波形很难达到理想效果。

⑶MOSFET管功放电路。

MOSFET功率管要求激励功率小，因此可直接由前置级驱动而无须再加推动级；输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，工作安全可靠，无须加保护措施，因此比BJT管功放电路简单。

⑷集成功率放大器。

目前已有很多公司生产出各种性能指标的集成功率放大器。

只要根据课题技术指标要求选择合适的芯片，按照其手册给出的典型应用电路连接相应的外围电路即可。

因此，在条件允许的情况下，选择合适的集成功放芯片来组建电路，一般都能完成功率、效率等技术指标要求。

例如D2006就是一种部有输出短路保护和过热自动闭锁的低频大功率集成电路。

（二）单元电路设计、仿真与分析1．正弦振荡电路的设计和计算根据以上分析，正弦信号发生功能块选用一通用型集成运算放大器F007（μA741）为核心元件的文氏桥正弦振荡单元电路，因为该电路可以做到频率调节围较宽，波形较好。

为了改善振荡波形，并使输出幅度稳定，拟选择场效应管组成的稳幅电路.正弦振荡电路的原理图如图4所示正弦振荡电的设计如下：⑴RC选频网络的计算图4图中，电阻R 和电容C 的取值决定了振荡频率，即f=RCπ21，按照图中所示，取电容C=0.47μF ，电阻R=13.35k Ω，则可产生频率约为25Hz 的正弦波。

⑵负反馈网络的计算负反馈稳幅电路中选用N 沟道节型场效应管3DJ6F 作为压控电阻，因为它工作在可变电阻区时ds R 较小，约为1k Ω。

它与1R 串联后再与2R 并联，然后与F R 共同构成负反馈网络。

（1R +ds R ）∥2R =3.41153.4)115(++⨯+≈3.4k Ω 课题中选用F R =7.2k Ω所以F R >2［（1R +ds R ）∥2R ］这样保证了起振条件.⑶集成运放的选择选择集成运放时，主要考虑其输入电阻、输出电阻、增益带宽积、转换速率是否满足技术指标要求。

本课题中选择CF741位振荡器的放大器件，因为他的转换速率SR ≥0.5V/s μ，满足下列要求：SR ≥2om U f max πh f ≥3m ax fh f 指增益带宽积，om U 为运放输出正弦电压的峰值。

CF741的h f 为1.2MHz ，满足要求，一般振荡产生的电压峰值不大，都能满足要求。

2.输出电路的选择、设计及计算⑴输出电路的选择、设计通过比较可知，采用分立元件构成的具有恒流源的差动放大器组成的OCL 功率放大电路比较合适，因为它简单、廉价、输出效率高。

如图5所示，它由输入级、中间级、输出级及偏置电路组成。

输入级是由1T 、2T 、3T 组成的单端输入、单端输出的共射组态恒流源式差动放大电路，可以抑制零点漂移，它从1T 的集电极处取出输出信号加到中间级。

图5中间级是由4T 、5T 组成的共射组态放大电路，它能提高放大倍数，4T 是恒流源，作为5T 的有源负载，因此其“C-E ”间的动态电阻很大，相比之下，w R +9R 上的交流压降可以忽略不计，因此，7T 、8T 的基极电位可看作相等。

输出级是由7T 、8T 、9T 、10T 组成的准互补对称电路，它能提高带负载能力。

其中，7T 、9T 是由NPN-NPN 组成的NPN 型复合管， 8T 、10T 是由PNP-NPN 组成的PNP 型复合管。

10R 、12R 、13R 、14R 的作用是改善温度特性，11R 是平衡电阻，当11R =10R ∥9i R 时，7T 与8T 的输入电阻相等。

6T 、w R 、9R 组成了BE U 倍压电路，为输出级提供所需的静态工作点，以消除交越失真。

偏置电路是由5R 、1D 、2D 和3T 、4T 组成的恒流源电路，并由5R 、1D 、2D 提供基准电流。

5T 集电极输出的交流信号，正半周时使功率放大管7T 、9T 导通，起信号放大作用，并把放大后的正半周信号送给负载15R ；信号的负半周时，7T 、9T 功放管截止，功放管8T 、10T 导通，放大信号，放大后的负半周信号也送给负载15R 。