信号发生电路(A题)南师大2017年电赛院赛题

3.4 比较器的选择
+12
U1:A(+IP)
3 2 4
8
U1:A
1
TL072
-12
图 3-7 TL072 过零比较器
方案一：TL072 构成的比较器做过零比较 优点：电路简单。 缺点： 抗干扰能力差。 单门限电压比较器在实际工作时， 当输入信号恰好在门限值附近， 由于干扰的存在，输出将不断在高、低电平间变，在控制系统中，对执行机构很不利。 方案二：555 构成的施密特触发器做迟滞比较
R13
10k
R13(2)
Vo
C1 U5:B
R7
8k -9
R6
4
U1:B
7
10k
6 5
R5
1k
D1
1N4148
R1
10k
2 3
4
U2:A
1
RV2 TL072 100k
56%
8
8
TL072
RV1
20K
49%
C3
10nF
+9
图 3-2 方波产生电路 2
优点： 用一个具有迟滞回环传输特性的比较器。在反相输入单门限电压比较器的基础上引 入正反馈网络， 就组成了具有双门限值的反相输入迟滞比较器。由于反馈的作用这种比较器的 门限电压是随输出电压的变化而变化的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高。由于 需要满足输出电压幅值的要求为 6v，在后面接入了一个反相比例缩小电路，调节电压使其达 到题目要求。 缺点：反相端为虚地，所以共模输入可以视为零，但是当要求缩小倍数较大时，反馈电阻 阻值高，稳定性差。
U1:B
7
1M
TL072
5 6 4
R5
1k
C1
2.2uF
R1
8.2k
8
U2:A
1
R18
-11v 1.6k
R29
-11V 47k
U1:A(+IP)
+12
3 2 4
R84 RV1
5.6k
SW1 R46
47k 3 SW-ROT-3 2
8
U1:A
1
TL072
D1
1N4148
+12
RV2
100k
8.2k
R8
8.2k
优点： 反相迟滞比较器的抗干扰能力大，而且迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响 应速度，同时由于迟滞比较器的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合要强得多，所以还可以免 除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。后加偏置电路将方波电压幅值向上抬升，使得输出电 压满足题目要求。 缺点：反相迟滞比较器对于两个电压差小于ΔU 的两个电压值不能分辨，也就是说分辨率 降低了。 方案选择：结合题目对方波信号频率、稳定度、幅值带负载能力等功能要求与上述各方案 的比较，也出于对时间、电路的复杂程度以及之前对各种电路熟悉程度的考虑，选择了方案三 为最终的设计电路。
1
三、模块电路方案论证 3.1 方波产生电路
方案一：文式桥正弦振荡器+过零比较器+偏置电路
R1 RV1
53%
510k
R10
50k +12v 1M
R9
1M
C2
0.1nF
8
U1:A
8
1 5 6
U1:B
7
3 2
C3
2.2uF
R7
8.2k
3 2
8
U2:A
1
-12v
8.2k
R8
8.2k
74%
C1
R2
0.1nF
1、系统电路元器件清单...............................................8 2、 测试与误差分析............................................................10 3、单片机主要程序...........................................................12
3.4 比较器的选择............................................................5
四、软件设计..................................................................6 五、电路参数计算及系统参数协调.............................................7 六、系统电路原理总图................................................7 七、参考文献........................................................7 附录................................................................8
3.2 带通滤波器电路
C1
1000pf +12v
R7
1.6k +12v
R11
560 +12
R19
545
R1(1)
8
U1:A
1
8
8
R1
300k
R3
158k
3 2
C3
0.1uF
C4
0.1uF
8
5 6 4
R9
7
86k
100nF
3
4
300k
TL072
100nF
TL072
100nF
4Biblioteka Baidu
R2
TL072
560
4
C2
74%
R4
TL072
R15
4.7k
C16
330nf
R7
1M 8
C3
R25
1k 10k
NE5532 R2(1) 3 2
U2:A
U2:A(OP) 1
4
单片机最小应用系统
10nF
56%
C2
2.2uF
D2 -12
1N4148
R2
1M
C6
4
NE5532 -12
Vo
-11
R11
560 +12
R19
545
10pF
3
3.3 功率放大电路
方案一： 甲类放大器又称射级输出器射级输出器电压增益虽然近似为 1。 但电流增益很大， 可获得较大的功率增益。但由于它有一突出优点，输入电阻小，带负载能力强，因而常用作集 成放大器的输出级。 方案二：乙类双电源互补对称功率放大电路，工作在乙类的放大电路，虽然管耗小，有利 于提高效率， 但存在严重失真问题， 使得输出信号的半个波形被削掉了。 如果使用两个三极管， 使之都工作在乙类放大状态，但一个在正半周，而另一半在负半周工作，同时使两个输出波形 都能加到负载上，从而在负载上得到一个完整的波形。 方案三：甲乙类互补对称功率放大电路，利用此电路可以克服交越失真，但两基级间的静 态偏置电压不易调整。
3.1 方波产生电路...........................................................2 3.2 带通滤波器电路..........................................................5 3.3 功率放大电路............................................................5
4
图 3-8 555 构成的施密特触发器
优点： 施密特触发电路是一种波形整形电路， 当任何波形的信号进入电路时， 输出在正、 负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且 形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。
四、软件设计
如图 4-1 为软件设计流程图
图 4-1 单片机总设计流程图
图 4-2 单片机测频程序流程图
单片机主要进行信号幅值的采集和频率的检测。 幅值的采集用到了单片机最小应用系统中 的 AD 转换模块，利用该模块对前置电路中的输出信号进行峰值采集，通过一系列拟合转化为 近似接近准确值的数值进行显示。 在频率采集模块利用了单片机的中断程序，将正弦信号经由 施密特触发器转化后的方波信号进行频率采集。
1000pF
C4
R10
2
1
R16
42k
C7
100nF
5 6
7
R23
10k
3 2
8
U1:B
C5
U5:A
U5:B
U1:A
1
4
C6
R8
1.6k -12v
R9
-12v
R12
6.8k
R20
538
TL072
TL072
49.9k
R21
1k
R4
71.5k
R13
4.7k
-12
R22
492
R24
100k
R5
68k
R6
48.7k
南 京 师 范 大 学
电气与自动化工程学院
设 计 报 告
信号发生电路（A 题）
组别：第 1 组
姓名：钟汝莹、张雅婷、刘事成
目
录
一、 摘要............................................................1 二、 设计原理概述....................................................1 三、 模块电路方案论证................................................2
图 3-4 1000Hz 带通滤波器电路
图 3-5 3000Hz 带通滤波器电路
根据题目要求， 需要对产生的方波信号进行滤波产生 1000Hz 和 3000Hz 的正弦波，所以系 统中必须有滤波电路。设计中我们采用了集成运放 TL072，由它和 R、C 组成的有源滤波电路， 具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很 高，输出阻抗比较低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。
六、系统电路原理总图
图 6-1 为信号发生电路电路的原理总图。
C13
1000pf +11v
R17
1.6k +11v
R14 R2
1M
R63
158k
8
+11
R7
820k
U6:A
1
3 2
C32
0.1uF
C24
0.1uF
R3
1M
300k
5 6 4
8
U3:B
7
R6
8
R92
300k
C62
1000pF
4
TL072
5
五、电路参数计算及系统参数协调
1、方波产生电路模块 方波产生电路是在迟滞比较器的基础上做了一些改进，如果是当选取 R1、R2 的值，可使 F=0.462，则振荡周期可以简化为 T=2RfC,或振荡频率为：f==。按照频率计算公式，选取 Rf 为 100kΩ的滑动变阻器，C=10nF,灵活调节实际电路中产生的方波频率。 2、带通滤波电路模块 在二阶低通滤波电路的品质因数表达式：Q=中，要使有源滤波电路稳定工作，必须使品 质因数 Q>0，则必须使带通增益 Af <3。经资料查得 TL072 的增益带宽积为 4，所以只要使得 Af <3 的同时，频率* Af 不大于 4，即可满足要求。
2
方案三：反相迟滞比较器+偏置电路
+11
R7
820k
R2
1M
R3
1M
8
U1:B
7 TL072
R6
1M
5 6 4
R5
1k
C1
2.2uF
R1
8.2k
3 2 4
8
U2:A
1
RV2
100k
RV1
TL072
-11
54%
8.2k
R8
8.2k
C3
74%
R4
10nF
C2
1k
2.2uF
1000HZ方波信号发生电路
图 3-3 方波产生电路 3
A 题：信号发生电路
一、摘要：
作品以通用低噪声 JFET 双输入输出运算放大器 TL072 为核心，采用资源丰富、低功 耗的单片机 STC90C51 作为系统的主控芯片。TL072 组成方波信号发生电路和偏置电路以 产生单极性的方波信号，由 NE555 组成施密特信号发生器用于测频电路，单片机通过其 内部 AD 对系统输入幅值和频率进行实时采样和监测并由单片机进行输出。 系统以外部带 锁按键和 mini 液晶显示器作为输入输出器件，操作灵活，界面友好。经过测试，作品达 到了题目基本要求和扩展要求的全部功能。 关键词：信号发生、测幅值频率、单片机
一、设计原理概述
如图为 2-1 信号发生电路的系统结构框图。
图 2-1 信号发生电路的系统结构框图
为达到通过信号发生电路产生方波、正弦波，同时用单片机测定各路信号的频率和幅值 并将其值显示在液晶屏上的目的，它应该由单片机最小应用系统，LCD 显示屏，滤波电路，方 波信号发生电路，峰值检测电路，施密特触发器等组成。 单片机用于测定各路信号的幅值和频率并显示在 LCD 显示屏上； 滤波电路用于提取方波信 号中的基波和三次谐波分量。信号发生电路为一个能产生方波、正弦波的信号发生电路，峰值 检测电路用于得到信号的峰值并通过一定分压将其送入单片机进行检测。 施密特触发器用于将 待测的正弦波转换成为单片机能测得的方波。
510k
R3
10k
4
TL072
TL072
RV2
TL072
4
4
R4
C4
1k
2.2uF
图 3-1 方波产生电路 1
优点： 文氏桥振荡电路以 RC 网络为正反馈， 如果放大环节采用电压串联负反馈来构成，就 具有如下优点:振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小。但是振荡频率取决于 R 和 C， C 如果太小，频率就和放大环节有关了，所以电路的频率不能太高，要高就用 LC 电路。 缺点：文式桥振荡电路产生的是正弦信号，需要经过过零比较器才能转变成方波信号，此 外还需要进行偏置使其稳定在单极性方向上。这样至少需要用到三个集成运放电路，不符合题 目要求，因此此方案不适用。 方案二：反相迟滞比较器方波产生电路+电压放大电路