实用信号源的设计和制作(DOC)

实用信号源的设计和制作

目录

第1章设计任务书 (1)

1.1任务 (1)

1.2要求 (1)

第2章总体方案设计 (2)

2.1本设计总体方案 (2)

2.2正弦波信号生成方案 (2)

2.2.1振荡信号的生成方法 (3)

2.2.2RC振荡原理与振荡条件 (3)

2.2.3振荡电路的稳幅方法 (5)

2.3频率步进方案 (6)

第3章电路设计和仿真分析 (8)

3.1RC振荡与稳幅电路设计 (8)

3.1.1电路参数计算 (8)

3.1.2电路仿真与分析 (10)

3.2正弦波调幅电路设计 (11)

3.2.1电路参数计算 (11)

3.2.2电路仿真与分析 (12)

3.3脉冲波生成电路设计 (13)

3.3.1电路参数计算 (13)

3.3.2电路仿真与分析 (14)

3.4频率计的设计 (18)

第4章设计总结 (20)

参考文献 (21)

附录Ⅰ仿真电路图 (22)

附录Ⅱ 10MHZ频率计 (23)

第1章设计任务书

1.1任务

在给定±15V电源电压条件下，设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。

1.2要求

1．基本要求

（1）正弦波信号源

① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

② 频率稳定度：优于10-4

③ 非线性失真系数≤3%

（2）脉冲波信号源

① 信号频率：20Hz～20kHz步进调整，步长为5Hz

② 上升时间和下降时间：≤1μs

③ 平顶斜降：≤5%

④ 脉冲占空比：2%～98%步进可调，步长为2%

（3）上述两个信号源公共要求

① 频率可预置。

② 在负载为600Ω时，输出幅度为3V。

③ 完成5位频率的数字显示。

2．发挥部分

（1）正弦波和脉冲波频率步长改为1Hz。

（2）正弦波和脉冲波幅度可步进调整，调整范围为100mV～3V，步长为100mV。（3）正弦波和脉冲波频率可自动步进，步长为1Hz。

（4）降低正弦波非线性失真系数。

第2章 总体方案设计

2.1 本设计总体方案

由于对可编程器件等知识掌握有限，本设计采用采用分立元件实现

方案一：如图2.1所示。

图2.1 信号输出方案一

方案二：如图2.2所示。

图2.2 信号输出方案二

考虑电路结构和实现方便，拟采用方案二。

系统总体框图如图2.3所示。所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。频率产生单元由振荡电路和电压放大电路构成，能够产生频率可调的正弦波信号，正弦波信号的幅度调整后经电压比较器和脉冲调幅电路输出要求的脉冲波。

图2.3系统总体框图

2.2 正弦波信号生成方案

信号发生器的工作频率范围、频率稳定度、频率设置精度、相位噪声、信号

频谱纯度是信号发生器性能的重要指标，都与频率产生单元有关，在本设计中频率产生单元首先生成正弦波信号，正弦波信号的频率大小直接影响后面脉冲波信号的步进，因此正弦波信号的产生方法十分重要。

正弦波信号的生成包括振荡和稳幅两个过程。

2.2.1振荡信号的生成方法

振荡信号可以由三种形式的振荡器产生。

1. LC 振荡器

这种振荡器，由于LC 体积大、频率变化范围小、品质因数Q 值较小，故一般不太适合用于低频信号振荡器，而在一般高频信号振荡器中使用较多。

2. 差频振荡器

由一稳定的基准频率振荡器与可调频率振荡器产生差频信号，此差频信号经过低频滤波、放大后作为信号源输出信号。这种振荡器频率覆盖面宽，缺点是受高频基准振荡器频率稳定度的影响很大，所以输出频率稳定性较差，在低频端尤为显著，使用时需要经常校正。

3. RC振荡器

RC 振荡器用电阻代替了电感器，使结构简单、紧凑，不仅降低了成本，而且还具有较高的频率稳定性，调节使用较方便，因而在低频信号发生器中被广泛地应用。典型的RC 振荡器叫做文氏电桥振荡器。

文氏电桥振荡器的优点是在同一频段内比LC 振荡器的频率范围宽，其频率变化比值（以最高频率与最低频率之比表示）可达10∶1，而LC 振荡器只有3∶1左右。振荡波形是正弦波，失真小。频率稳定性高，在所有工作频率范围内，振幅几乎等于常数。低频信号发生器中多采用这种电路。

因此设计中采用RC 振荡器产生正弦振荡信号。

2.2.2 RC振荡原理与振荡条件

正弦波产生电路一般应放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路几个基本组成部分。判断一个电路是否为正弦波振荡器，就看其组成是否含有上述四个部分。

1. RC桥式振荡电路的构成

RC桥式振荡电路如图2.4所示。RC 串并联网络接在运算放大器的输出端和同相输入端构成了带有选频作用的正反馈网络，另外Rf、R1接在运算放大器的输出端和反相输入端之间，与集成运放一起构成负反馈放大电路。由图2.5可见，正反馈电路与负反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以把这种振荡电路称为RC桥式振荡电路。

2. 正弦振荡条件

判断正弦振荡的一般方法是：

（1）是否满足相位条件，即电路是否为正反馈，只有满足相位条件才有可能

振荡；

（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作点是否合适。

（3）分析是否满足幅度条件, 检验 ，若 ① ，则不可能振荡；

② ，能振荡，但输出波形明显失真；

③ ，产生振荡。振荡稳定后 ，再加上稳幅措施，振荡稳

定，而且输出波形失真小。

对于图2.5，输入信号由同相端输入（即振荡信号由此输入），根据虚短、虚断可求得负反馈闭环电压放大倍数为：

（2-2）

振幅条件： （2-3）

相位起振：

（2-4）

∙

∙

F A 1<∙

∙F A 1>>∙

∙F A 1>∙

∙F A 1

=∙∙F A