畢業(yè)論文-實(shí)用信號(hào)源的設(shè)計(jì)與仿真

1、本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文（設(shè)計(jì)）題目： 實(shí)用信號(hào)源的設(shè)計(jì)與仿真 學(xué) 院、 系： 信息工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系 專 業(yè) (方 向)： 電子信息工程 年 級(jí)、 班： 學(xué) 生 姓 名： 指 導(dǎo) 教 師： _2011_年 5 月 29 日2聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下取得的成果。對(duì)本論文（設(shè)計(jì)）的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。因本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）引起的法律結(jié)果完全由本人承擔(dān)。本畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）成果歸蘭州商學(xué)院所有。 特此聲明畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 年 月 日實(shí)用信號(hào)源的設(shè)計(jì)與仿真摘 要信號(hào)源又稱信號(hào)發(fā)生器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有

2、著廣泛的應(yīng)用。正弦信號(hào)與脈沖信號(hào)是電子線路中最常用的信號(hào)，這些信號(hào)可以由波形產(chǎn)生電路和變換電路來(lái)提供。波形產(chǎn)生電路是一種不需外加激勵(lì)信號(hào)就能將直流能源轉(zhuǎn)化成交流能源的輸出電路，又稱為振蕩器或波形發(fā)生器。本設(shè)計(jì)中的正弦信號(hào)源采用正弦波振蕩器來(lái)產(chǎn)生，這樣的振蕩電路有很多種，經(jīng)過(guò)分析比較采用RC正弦波振蕩電路，即RC橋式振蕩電路或文式橋振蕩電路。該種振蕩電路是以RC串并聯(lián)電路作為選頻網(wǎng)絡(luò)的電路，可以產(chǎn)生滿足頻率幅度可調(diào)的正弦波信號(hào)。脈沖信號(hào)源由555時(shí)基電路構(gòu)成的多諧振蕩器以及引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大電路共同構(gòu)成，稱為矩形脈沖電路。設(shè)計(jì)過(guò)程中分析了兩個(gè)電路各自的特點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求對(duì)電路進(jìn)行了改進(jìn)，在

3、Multisim軟件中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示正弦信號(hào)源實(shí)現(xiàn)了頻率、幅度的可調(diào)且輸出波形穩(wěn)定，脈沖信號(hào)源實(shí)現(xiàn)了頻率、幅度、占空比可調(diào)且波形質(zhì)量高。關(guān)鍵詞正弦信號(hào) 脈沖信號(hào) RC橋式振蕩 555時(shí)基電路 Multisim仿真 ABSTRACTThe supply oscillator is also called the signal generating device. It has a widespread application in the productive practice and the technical domain.Sine and pulse signal are the

4、most commonly used signals in electronic circuits, these signals are generated by the wave and transformed circuit. Waveform generator circuit is a energy output circuit which can transform DC into Energy exchange, also known as oscillator or waveform generator. In the context, the sine signal can b

5、e produced by a sine wave oscillator, there are a lot of so circuits, after analysis and comparison using RC bridge oscillator circuit ,which also known as the RC Bridge oscillator circuit. This kind of oscillation circuit is using RC series-parallel circuit as the selected frequency network, which

6、can adjust to meet the sine wave frequency signals. The pulse signal source is generated by the multi-circuit harmonic oscillator by the 555 and lager circuit, known as the rectangular pulse generator circuit.During the design process, I analysis the characteristics of the two circuits, and improve

7、the circuit according to the design requirements. Simulation in the Multisim software show the sine signal source achieve the frequency, magnitude and the adjustable output waveform stability, the pulse signal source to achieve the source frequency, magnitude, adjustable duty cycle and high-quality

8、waveforms. Key wordsSine wave, Pulse wave,RC bridge oscillations,555,Multisim目 錄一、引言1（一）課題設(shè)計(jì)要求11、正弦波信號(hào)源12、脈沖波信號(hào)源2（二）信號(hào)源研究狀況2（三）課題研究方法3二、方案分析3（一）正弦信號(hào)源31、振蕩電路工作原理42、橋式振蕩電路的組成6（二）脈沖信號(hào)源131、555定時(shí)器工作原理142、矩形脈沖電路組成16三、方案實(shí)現(xiàn)18（一）RC橋式振蕩電路18（二）矩形脈沖電路19四、電路仿真21（一）仿真軟件21（二）仿真過(guò)程221、正弦波電路仿真222、矩形波電路仿真24（三）數(shù)據(jù)測(cè)量與分析2

9、6五、結(jié)論29參 考 文 獻(xiàn)30致謝3131實(shí)用信號(hào)源的設(shè)計(jì)與仿真一、引言隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子信息系統(tǒng)在我們的生活中越來(lái)越重要。整個(gè)系統(tǒng)首先需要采集信號(hào)，采集信號(hào)就需要有信號(hào)源，信號(hào)源作為一種基本電子設(shè)備，無(wú)論是在教學(xué)、科研還是在部隊(duì)技術(shù)保障中，都有著廣泛的使用。另外，信號(hào)源作為一種通用電子測(cè)試儀器是軍隊(duì)進(jìn)行高科技戰(zhàn)爭(zhēng)不可缺少的一種測(cè)試儀器。因此，從理論到工程對(duì)信號(hào)的發(fā)生進(jìn)行深入研究，不論是從教學(xué)科研角度，還是從部隊(duì)技術(shù)保障服務(wù)角度出發(fā)都有著積極的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)信號(hào)源的要求越來(lái)越高。各種電器設(shè)備要正常工作，常常需要各種波形信號(hào)的支持。最常見(jiàn)和常用的信號(hào)就是

10、正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)。正弦信號(hào)是頻率成分最簡(jiǎn)單的信號(hào)，也正因?yàn)槿绱?，它的用途也最為廣泛；脈沖信號(hào)是指不具有連續(xù)正弦波形狀的信號(hào)，常見(jiàn)的脈沖信號(hào)波形有方波，矩形波，尖脈沖，鋸齒波以及鐘形脈沖等1。（一） 課題設(shè)計(jì)要求1、正弦波信號(hào)源(1)信號(hào)頻率：20Hz2kHz步進(jìn)調(diào)整。 (2)在 Multisim軟件中進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果顯示正弦波，并實(shí)現(xiàn)頻率、幅度的可調(diào)且輸出波形穩(wěn)定。2、脈沖波信號(hào)源(1) 信號(hào)頻率：20Hz20kHz步進(jìn)調(diào)整。(2)上升時(shí)間和下降時(shí)間：1s。(3)脈沖占空比：2%98%步進(jìn)可調(diào)。（4）在 Multisim軟件中進(jìn)行仿真，能夠仿真出脈沖波，并且脈沖信號(hào)源實(shí)現(xiàn)頻率、幅度、占空比

11、可調(diào)。（二）信號(hào)源研究狀況本課題通過(guò)研究分析設(shè)計(jì)出一種可以產(chǎn)生頻率，幅度或占空比可調(diào)的正弦信號(hào)源與脈沖信號(hào)源的波形產(chǎn)生電路。波形發(fā)生電路是一種不需外加激勵(lì)信號(hào)就能將直流能源轉(zhuǎn)化為具有一定頻率、一定幅度和一定波形的交流能量輸出電路，又稱為振蕩器或波形發(fā)生器。波形發(fā)生器是一種常用的測(cè)量?jī)x器，廣泛用于科學(xué)研究、生產(chǎn)實(shí)踐和教學(xué)實(shí)踐等領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)外也有很多關(guān)于這方面的研究，根據(jù)不同的要求設(shè)計(jì)不同的方案，有基于DSP實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)源的產(chǎn)生，基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)源的產(chǎn)生，有基于FPGA進(jìn)行高速脈沖信號(hào)源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2，也有高精度設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)正弦激勵(lì)信號(hào)源等等以及相關(guān)的一些技術(shù)研究問(wèn)題。當(dāng)然市面上也有信號(hào)發(fā)生器，

12、這些信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生滿足各種要求的各種波形，但價(jià)格十分昂貴。學(xué)習(xí)了模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)以及高頻信號(hào)等學(xué)科的知識(shí)后發(fā)現(xiàn)自己也可以設(shè)計(jì)制作出滿足頻率、幅度、占空比可調(diào)的正弦信號(hào)和脈沖信號(hào)。并且原理易懂，方便實(shí)用，波形輸出穩(wěn)定，可用于簡(jiǎn)單電路的信號(hào)源輸入。（三）課題研究方法根據(jù)書中知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)頻率、幅度或占空比可調(diào)的正弦信號(hào)源與脈沖信號(hào)源是完全可能的。查閱資料可知，對(duì)于正弦信號(hào)源，最基本的可以用振蕩電路產(chǎn)生。振蕩電路有很多種，應(yīng)用最廣泛，最易實(shí)現(xiàn)的就是RC橋式振蕩電路，理論上該電路可以產(chǎn)生頻率1MHZ以下的正弦波；對(duì)于脈沖信號(hào)源，脈沖信號(hào)有很多種，本設(shè)計(jì)就以矩形脈沖為例進(jìn)行分析研究，由所學(xué)知

13、識(shí)知道，555構(gòu)成的多諧振蕩電路1就可以產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的矩形波，只要對(duì)電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)母膭?dòng)就能產(chǎn)生符合要求的矩形波信號(hào)。綜上所述：利用模擬電路基礎(chǔ)和數(shù)字電路基礎(chǔ)書本知識(shí)就可以生成正弦信號(hào)源和脈沖信號(hào)源。由此方法得到的信號(hào)波形雖不如市面出售的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的波形信號(hào)，但該設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單易行，對(duì)我們知識(shí)的鞏固研究更有幫助。二、方案分析（一）正弦信號(hào)源正弦信號(hào)源在實(shí)驗(yàn)室和電子工程設(shè)計(jì)中有著十分重要的作用，而傳統(tǒng)的正弦信號(hào)源根據(jù)實(shí)際需要一般價(jià)格昂貴，低頻輸出時(shí)性能不好且不便于自動(dòng)調(diào)節(jié)，工程實(shí)用性較差。正弦波振蕩電路是在沒(méi)有外加輸入信號(hào)的情況下，依靠電路自激振蕩而產(chǎn)生正弦波輸出電壓的電路。由它產(chǎn)生的正弦信號(hào)廣

14、泛地應(yīng)用于量測(cè)、遙控、通信、自動(dòng)控制、熱處理和超聲波電焊等加工設(shè)備中，同時(shí)也可作為模擬電子電路的測(cè)試、控制信號(hào)。1、振蕩電路工作原理要產(chǎn)生自激振蕩3，電路中必須引入反饋信號(hào)且反饋量必須與放大電路的輸入量處在一個(gè)相對(duì)平衡的狀態(tài)，即，寫成模與相角的形式為： （21） （或） （22）式（21）稱為相位平衡條件，式（22）稱為幅值平衡條件。相位平衡條件，說(shuō)明反饋電壓與輸入電壓同相，即正反饋，正反饋是通過(guò)振蕩器電路來(lái)保證的。是輸出電壓超前輸入電壓的相位，當(dāng)放大器是一個(gè)非線性工作的晶體管放大器時(shí)，輸出電壓為，是集電極電流基波分量，是集電極負(fù)載阻抗，則 （23）其中,是晶體管集電極電流基波分量超前輸入電壓

15、的相角，是負(fù)載的相角，即超前的相角。因此相位平衡條件又可寫為： （24）圖2.1 利用瞬時(shí)極性法判斷相位條件相位是頻率的函數(shù)4，在晶體管的特征頻率遠(yuǎn)大于振蕩頻率時(shí)，可近似認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)，且數(shù)值很小。反饋網(wǎng)絡(luò)的相移通常在窄帶范圍內(nèi)也可認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)。所以，相位平衡條件決定了振蕩器的工作頻率。為保證振蕩器的工作頻率是惟一的，滿足相位平衡條件的平衡點(diǎn)只能是一個(gè)。判斷一個(gè)電路是否滿足相位平衡條件的方法是斷開(kāi)反饋，在斷開(kāi)處給放大電路加頻率為的輸入電壓，并給定瞬時(shí)極性，如圖2.1所示；然后以極性判斷輸出電壓的極性，從而得到反饋電壓的極性；若與極性相同，說(shuō)明滿足相位平衡條件，電路可能產(chǎn)生正弦波振蕩5，反之則

16、不能。圖2.1 利用瞬時(shí)極性法判斷相位條件 幅值平衡條件中，即，所以 （25）即，這就是說(shuō)，振幅平衡條件是反饋電壓的幅值等于放大器輸入電壓幅值。凡滿足的點(diǎn)即為滿足振幅平衡條件的平衡點(diǎn)，對(duì)應(yīng)這些點(diǎn)的輸出電壓值，就是振蕩器產(chǎn)生的電壓幅值。判斷一個(gè)電路是否滿足振幅平衡條件的方法是分別求解電路的和，然后判斷是否等于1。若等于1則滿足幅值平衡條件，電路可產(chǎn)生正弦振蕩，否則不能。但有一點(diǎn)必須注意的是只有電路滿足相位平衡條件的情況下判斷是否滿足幅值條件才有意義。換言之，若電路不滿足相位條件，則不可能振蕩，也就無(wú)需判斷是否滿足幅值平衡條件了。另外為了使輸出量在合閘后能夠有一個(gè)從小到大直至平衡在一定幅值的過(guò)程，

17、電路的起振條件為 （26）2、橋式振蕩電路的組成一個(gè)完整的正弦振蕩電路主要由四部分電路組成：放大電路保證電路能夠有從起振到平衡的過(guò)程，使電路獲得一定幅值輸出量并且實(shí)現(xiàn)能量控制；選頻網(wǎng)絡(luò)確定電路振蕩頻率使電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩；正反饋網(wǎng)絡(luò)使放大電路的輸入信號(hào)等于反饋信號(hào)，在不少實(shí)用電路中常將選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一；穩(wěn)幅環(huán)節(jié)即非線性環(huán)節(jié)，作用是使輸出信號(hào)穩(wěn)定。除此之外，要使電路能產(chǎn)生正弦波振蕩還必須滿足下列條件：(a)放大電路要有合適的靜態(tài)工作點(diǎn)且動(dòng)態(tài)信號(hào)必須能夠輸入、輸出和放大；(b)電路必須滿足正弦波振蕩的相位條件；(c)電路必須滿足正弦波振蕩的幅度條件。（1）

18、放大電路放大電路是保證電路能夠起振的部分,也是整個(gè)振蕩電路中不可少的部分。放大電路可以由三極管、場(chǎng)效應(yīng)管等分立元件構(gòu)成，也可以由集成運(yùn)算放大電路外接電阻電容等構(gòu)成。從電路穩(wěn)定性、可靠性以及簡(jiǎn)易方面考慮直接采用集成運(yùn)算放大電路。集成運(yùn)算放大電路由輸入級(jí)、中間級(jí)、輸出級(jí)和偏置電路四部分組成，它有兩個(gè)輸入端，一個(gè)輸出端。對(duì)于正弦振蕩電路來(lái)說(shuō)，對(duì)放大電路的要求是放大倍數(shù)A必須與選頻網(wǎng)絡(luò)的反饋系數(shù)F相匹配，滿足兩者向量點(diǎn)積大于等于1，并且在實(shí)際中，具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻，目的是減小這部分電路對(duì)選頻特性的影響，使振蕩頻率幾乎僅僅決定于選頻網(wǎng)絡(luò)。從本質(zhì)上看，集成運(yùn)放是一種高性能的直接耦合

19、放大電路。盡管品種繁多，內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)也各不相同，但是基本組成部分，結(jié)構(gòu)形式，組成原則基本一致6。集成運(yùn)算放大器按照參數(shù)可分為如下幾類：通用型運(yùn)算放大器通用型運(yùn)算放大器就是以通用為目的而設(shè)計(jì)的。這類器件的主要特點(diǎn)是價(jià)格低廉、產(chǎn)品量大面廣,其性能指標(biāo)能適合于一般性使用。例uA741（單運(yùn)放）、LM358（雙運(yùn)放）、LM324（四運(yùn)放）及以場(chǎng)效應(yīng)管為輸入級(jí)的LF356都屬于此種。它們是目前應(yīng)用最為廣泛的集成運(yùn)算放大器。高阻型運(yùn)算放大器這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般rid（1091012）W，IIB為幾皮安到幾十皮安。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻

20、抗的特點(diǎn),用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)。用FET作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大。常見(jiàn)的集成器件有LF356、LF355、LF347（四運(yùn)放）及更高輸入阻抗的CA3130、CA3140等。低溫漂型運(yùn)算放大器在精密儀器、弱信號(hào)檢測(cè)等自動(dòng)控制儀表中,總是希望運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓要小且不隨溫度的變化而變化。低溫漂型運(yùn)算放大器就是為此而設(shè)計(jì)的。目前常用的高精度、低溫漂運(yùn)算放大器有OP-07、OP-27、AD508及由MOSFET組成的斬波穩(wěn)零型低漂移器件ICL7650等。高速型運(yùn)算放大器在快速A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、視頻放大器中，要求

21、集成運(yùn)算放大器的轉(zhuǎn)換速率SR一定要高，單位增益帶寬BWG一定要足夠大，像通用型集成運(yùn)放是不能適合于高速應(yīng)用的場(chǎng)合的。高速型運(yùn)算放大器主要特點(diǎn)是具有高的轉(zhuǎn)換速率和寬的頻率響應(yīng)。常見(jiàn)的運(yùn)放有LM318、mA715等，其SR=5070V/ms，BWG20MHz。低功耗型運(yùn)算放大器由于電子電路集成化的最大優(yōu)點(diǎn)是能使復(fù)雜電路小型輕便，所以隨著便攜式儀器應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，必須使用低電源電壓供電、低功率消耗的運(yùn)算放大器。常用的有TL-022C、TL-060C等，其工作電壓為2V18V，消耗電流為50250mA。目前有的產(chǎn)品功耗已達(dá)微瓦級(jí),例如ICL7600的供電電源為1.5V，功耗為10mW，可采用單節(jié)電池供

22、電。高壓大功率型運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器的輸出電壓主要受供電電源的限制。在普通的運(yùn)算放大器中,輸出電壓的最大值一般僅幾十伏，輸出電流僅幾十毫安。若要提高輸出電壓或增大輸出電流，集成運(yùn)放外部必須要加輔助電路。高壓大電流集成運(yùn)算放大器外部不需附加任何電路，即可輸出高電壓和大電流。例如D41集成運(yùn)放的電源電壓可達(dá)150V，mA791集成運(yùn)放的輸出電流可達(dá)1A。理論上，任何滿足放大倍數(shù)要求的放大電路與RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)都可組成正弦波振蕩電路，但是實(shí)際上所選用的放大電路應(yīng)具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻。經(jīng)過(guò)分析比較我選用uA741通用型集成運(yùn)放，該運(yùn)放的技術(shù)參數(shù)如表21，引腳排列圖及仿真圖標(biāo)如2.2

23、 (a) (b)所示。它具有輸出零電位穩(wěn)定性高、輸入阻抗高，價(jià)格低廉，易于購(gòu)買等優(yōu)點(diǎn)。表21 uA741通用集成運(yùn)放技術(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)條件最小值典型值最大值單位VOS輸入失調(diào)電壓26mVIOS輸入失調(diào)電流20200nAIB輸入偏置電流80500nARIN輸入電阻0.32.0MVIDR差模輸入電壓范圍12.013.0VCMRR共模抑制比VCM=13V7090dBPSRR電源抑制比VS=3V18V30150u V/VAVO開(kāi)環(huán)電壓增益RL2KV0=10V20200V/mVVO輸出電壓擺幅RL10KRL2K1210.014.013.0VSR擺率RL2K0.5V/usRO輸出電阻V0=0，I0=075I

24、OS輸出短路電流25mAIS電源電流1.72.8mAPd功耗VS=15無(wú)負(fù)載5085mW圖2.2 uA741引線排列圖(a) 引腳排列圖 (b)仿真圖標(biāo)注：測(cè)試條件： T=25，VCC=VEE=15V(2) 選頻網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)有很多種，有RC組成的選頻網(wǎng)絡(luò)也有LC、石英晶體組成的選頻網(wǎng)絡(luò)。RC型選頻網(wǎng)絡(luò)的的振蕩頻率較低，一般在1MHZ以下；LC選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩頻率在1MHZ以上；石英晶體選頻網(wǎng)絡(luò)可以等效成LC選頻網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是振蕩頻率非常穩(wěn)定。根據(jù)任務(wù)要求產(chǎn)生振蕩頻率為20HZ2KHZ的正弦信號(hào)，選擇RC型選頻網(wǎng)絡(luò)就可以滿足。實(shí)用的RC型選頻網(wǎng)絡(luò)有很多種，如RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，RC雙T網(wǎng)絡(luò)，RC移相網(wǎng)

25、絡(luò)。目前應(yīng)用最為廣泛的是RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，由RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的正弦振蕩電路稱為RC正弦波振蕩電路，又稱RC橋式振蕩電路或文式橋振蕩電路。將電阻與電容串聯(lián)、電阻與電容并聯(lián)所組成的網(wǎng)絡(luò)稱為RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)7，如圖2.3：圖2.3 RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)通常取R1=R2=R，C1=C2=C。因?yàn)镽C串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)在正弦波振蕩電路中既為選頻網(wǎng)絡(luò)，又為正反饋網(wǎng)絡(luò)，所以其輸入電壓為，輸出電壓為。當(dāng)信號(hào)頻率足夠低時(shí)，因而網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化電路及其電壓和電流的向量圖如圖2.4所示。超前，當(dāng)頻率趨近于零時(shí)，相位超前趨近于+90， 且趨近于零。當(dāng)信號(hào)頻率足夠高時(shí)，因而網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)化電路及其電壓和電流的向量圖如圖2.5所示。

26、滯后，當(dāng)頻率趨近于無(wú)窮大時(shí)，相位滯后趨近于-90，且趨近于零。圖2.4 低頻段等效電路及其向量圖圖2.5 高頻段等效電路及其向量圖 可以想象，當(dāng)信號(hào)頻率從零逐漸變化到無(wú)窮大時(shí)，的相位將從+90逐漸變化到-90。因此，對(duì)于RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，必定存在一個(gè)頻率f0,當(dāng)f= f0時(shí)，與同相。通過(guò)計(jì)算可以求出頻率特性和f0。 （27）整理可得： （28）令，則 代入（28）式得 （29）幅頻特性為： （210）相頻特性為： （211）由上述式子得： 當(dāng)時(shí)，即，。由選頻網(wǎng)絡(luò)的上述分析可得必須匹配一個(gè)電壓放大倍數(shù)大于3的放大電路使得才能構(gòu)成正弦振蕩電路。(3)穩(wěn)幅電路由于RC選頻網(wǎng)絡(luò)本身存在的特點(diǎn)會(huì)使振蕩

27、波形不穩(wěn)定，加之放大器的非線性會(huì)使波形質(zhì)量更差，因此采用線性放大器，引入電壓負(fù)反饋穩(wěn)幅電路，如圖2.6，使放大器輸入阻抗提高，從而減小放大器對(duì)選頻網(wǎng)絡(luò)的影響；輸出阻抗減小，從而提高振蕩器帶負(fù)載的能力；負(fù)反饋本身就有改善波形，減小失真的功能。對(duì)于這部分負(fù)反饋電路可以選用R1為正溫度系數(shù)的熱敏電阻，當(dāng)因某種原因增大時(shí)，流過(guò)R1和Rf的電流增大，使R1功耗增大，導(dǎo)致溫度升高，因而使熱敏電阻R1阻值增大，從而使數(shù)值減小，隨之減??；當(dāng)因某種原因減小時(shí)，各物理量與上述變化相反，從而使輸出電壓穩(wěn)定。當(dāng)然，也可選用負(fù)Rf為負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。圖2.6 電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路除此之外，還可在Rf串聯(lián)兩個(gè)并聯(lián)的二極

28、管，如圖2.7，利用電流增大時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻減小、電流減小時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻增大的特點(diǎn)，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。圖2.7 加入并聯(lián)二極管的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路（二）脈沖信號(hào)源獲取矩形脈沖波形的途徑不外乎兩種8：一種是利用各種形式的多諧振蕩電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖，另一種是通過(guò)各種整形電路把已有的周期性變化波形變換為符合要求的矩形脈沖。當(dāng)然，在采用整形的方法獲取矩形脈沖時(shí)，是以能夠找到頻率和幅度都符合要求的一種已有電壓信號(hào)為前提的。本設(shè)計(jì)中采用555構(gòu)成的多諧振蕩器直接產(chǎn)生矩形脈沖。定量描述矩形脈沖特性的參數(shù)有：脈沖周期T周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔。有時(shí)也使用

29、頻率表示單位時(shí)間內(nèi)脈沖重復(fù)的次數(shù)。脈沖幅度Vm脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度tw從脈沖前沿到達(dá)0.5Vm起，到脈沖后沿到達(dá)0.5Vm為止的一段時(shí)間。上升時(shí)間t脈沖上升沿從0.1Vm上升到0.9Vm所需要的時(shí)間。下降時(shí)間tf脈沖下降沿從0.9Vm下降到0.1Vm所需要的時(shí)間。占空比q脈沖寬度與脈沖周期的比值，亦即。1、555定時(shí)器工作原理555定時(shí)器（又稱時(shí)基電路）是一種將模擬功能和邏輯功能巧妙結(jié)合在同一塊硅片上的線性集成電路，它是數(shù)字電路和模擬電路相結(jié)合的電路，能夠產(chǎn)生時(shí)間延遲和多種脈沖信號(hào)。具有線路簡(jiǎn)單、功能靈活、調(diào)節(jié)方便等優(yōu)點(diǎn)。利用它能方便的構(gòu)成各種觸發(fā)器、波形振蕩器以及定時(shí)延時(shí)電路、檢

30、測(cè)電路、電源變換電路等多種實(shí)用電路9。它由兩個(gè)比較器C1、C2，基本RS觸發(fā)器和集電極開(kāi)路的放電三極管TD三部分組成。555定時(shí)器產(chǎn)品型號(hào)繁多，但所有雙極型產(chǎn)品型號(hào)最后的3位數(shù)碼都是555，所有CMOS產(chǎn)品型號(hào)最后的4位數(shù)碼都是7555。而且它們的功能和外部引腳的排列完全相同，國(guó)產(chǎn)雙極型定時(shí)器CB555的電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳排列如圖2.8所示。圖 2.8 CB555的電路結(jié)構(gòu)圖及引腳排列圖是比較器C1輸入端（也稱閾值端，用TH標(biāo)注），是比較器C2的輸入端（也稱觸發(fā)端，用標(biāo)注）。C1和C2的參考電壓（電壓比較的基準(zhǔn)）VR1和VR2由VCC經(jīng)三個(gè)5k電阻分壓給出。在控制電壓輸入端VCO懸空時(shí)，。如

31、果VCO外接固定電壓，則，。是置零端。只要在端加上低電平，輸出端便立即被置成低電平，不受其他輸入端狀態(tài)影響。正常工作時(shí)必須使處于高電平，即4腳一直接高電平。由圖2.8可知，當(dāng)、時(shí)，比較器C1的輸出、，基本RS觸發(fā)器被置0，TD導(dǎo)通，同時(shí)為低電平。當(dāng)、時(shí)，、，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，因而TD和輸出的狀態(tài)也維持不變。當(dāng)、時(shí)，、，故觸發(fā)器被置成1，為高電平，同時(shí)TD截止。當(dāng)、時(shí)，、，觸發(fā)器處于的狀態(tài)，處于高電平，同時(shí)TD截止。這樣就得到了如表22所示的CB555的功能。表22 CB555的功能表輸 入輸 出狀態(tài)0低導(dǎo)通1低導(dǎo)通1不變不變1高截止1高截止2、矩形脈沖電路組成為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的矩形脈沖具有頻率、

32、幅度、占空比可調(diào)的特點(diǎn)，完整的矩形脈沖產(chǎn)生電路由多諧振蕩器和放大電路兩部分組成。（1）多諧振蕩器將555定時(shí)器的和兩個(gè)輸入端連在一起，作為信號(hào)輸入端可構(gòu)成施密特觸發(fā)器；將555定時(shí)器的端作為觸發(fā)信號(hào)的輸入端，并將由TD和R組成的反相器輸出電壓接至端，同時(shí)在對(duì)地接入電容C，就構(gòu)成了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，除此之外還可以在施密特觸發(fā)器的基礎(chǔ)上改接成多諧振蕩器10，如圖2.9所示。該圖所示的電路是產(chǎn)生固定占空比，固定頻率和幅度的矩形波電路，要產(chǎn)生頻率，幅度，占空比均可調(diào)的矩形波必須經(jīng)過(guò)修改，由各項(xiàng)公式得占空比大小由充放電電阻阻值決定，頻率由電阻和電容共同決定，要使這兩項(xiàng)都變化必須使接入的R,C可調(diào)，如圖2.1

33、0所示:圖 2.9 用555定時(shí)器接成的多諧振蕩器充電線路為 D1 C 地；充電線路為 C D2 TD。圖 2.10 用555定時(shí)器接成的占空比、頻率可調(diào)的多諧振蕩器圖2.10所示的多諧振蕩器中電容C上的電壓Vc在VT+和VT-之間往復(fù)振蕩，則電容C的充電時(shí)間T1和放電時(shí)間T2各為： （213） （214）故電路的振蕩周期為： （215）振蕩頻率為： （216）由式（211）和（213）求出輸出脈沖占空比為： （217）（2）放大電路在多諧振蕩器輸出端接入一個(gè)引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大電路，目的是實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)。如圖2.11所示。圖中放大電路仍采用通用集成運(yùn)放uA741，可調(diào)電位器用于調(diào)節(jié)輸出電壓

34、幅度，二極管D1、D2使輸出波形幅度穩(wěn)定。圖 2.11 幅度可調(diào)部分電路 三、方案實(shí)現(xiàn)（一）RC橋式振蕩電路經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改后的正弦振蕩電路原理圖如圖3.1所示。圖中集成運(yùn)放uA741由12V雙電源提供工作電壓，根據(jù)要求需產(chǎn)生頻率可調(diào)范圍為20HZ2KHZ的正弦波，取C1=C2=0.1uf，由頻率計(jì)算公式得選頻網(wǎng)絡(luò)中的電阻取值為：最小阻值： （31）最大阻值：K （32）由上述式子得，選頻網(wǎng)絡(luò)中固定電阻取R1=R2=795.8，并且將阻值大小為78.8K的同軸雙聯(lián)電位器RW1、RW2分別與R1、 R2、 C1、C2串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)頻率在規(guī)定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。圖3.1 RC橋式振蕩電路原理圖穩(wěn)幅環(huán)節(jié)由兩個(gè)

35、二極管D1,D2并聯(lián)一個(gè)20K大小的電阻R3組成，負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)由D1、D2、R3、R4、R5、R6共同組成，其中R4是可調(diào)電阻，目的是使電路起振并實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)，范圍是010K。（二）矩形脈沖電路頻率、幅度、占空比可調(diào)的矩形脈沖電路原理圖如圖3.2所示。為實(shí)現(xiàn)占空比2%98%之間可調(diào)，由占空比公式得聯(lián)立方程： （33）整理得： （34）為方便計(jì)算取R1=R2=1K，RW48K，RW的取值范圍是048K。為實(shí)現(xiàn)頻率在20HZ2KHZ之間可調(diào)，可根據(jù)頻率計(jì)算公式：聯(lián)立方程得求出可調(diào)電容C的范圍。 （35）整理求得：可調(diào)電容C的范圍是14.4nf1.44uf 。 因?yàn)橛啥嘀C振蕩器輸出的矩形波幅度由閾值電

36、壓決定，而這個(gè)閾值電壓是固定的，要使輸出的矩形波幅度可調(diào)必須在多諧振蕩器的3腳輸出端再接一個(gè)電壓串聯(lián)負(fù)反饋的運(yùn)算放大電路，利用可調(diào)電位器實(shí)現(xiàn)幅度的可調(diào)。運(yùn)放選擇的是uA741通用型集成運(yùn)放，考慮集成運(yùn)放本身的性質(zhì)以及穩(wěn)定，失真等因素取電位器R5的阻值大小為5K，那么調(diào)節(jié)的大小即調(diào)節(jié)輸出幅值大小。二極管D3、D4對(duì)輸出波形起到穩(wěn)幅作用。圖 3.2 矩形脈沖電路原理圖四、電路仿真（一）仿真軟件電路仿真軟件有很多，比較常用的有EWB，Protel，ORCAD，PSPIC，Multisim等。本次設(shè)計(jì)采用Multisim軟件進(jìn)行正弦波與矩形波電路的仿真與實(shí)現(xiàn)。Multisim是加拿大圖像交互技術(shù)公司（

37、Interactive Image Technoligics簡(jiǎn)稱IIT公司)推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。 運(yùn)用者可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對(duì)電路行為進(jìn)行仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，這樣無(wú)需懂得深入的SPICE技術(shù)就可以很快地進(jìn)行捕獲、仿真和分析新的設(shè)計(jì)，這也使其更適合電子學(xué)教育。通過(guò)Multisim和虛擬儀器技術(shù)，PCB設(shè)計(jì)工程師和電子學(xué)教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測(cè)試這樣一個(gè)完整的綜合

38、設(shè)計(jì)流程。Multisim可以說(shuō)是EWB軟件的一個(gè)延伸與升級(jí)版本，具體仿真過(guò)程中我用了Multisim 10.0.1版本，該版本具有很明顯的優(yōu)勢(shì)：(1)豐富的元件和測(cè)試儀器；(2)動(dòng)態(tài)可視化效果；(3)通過(guò)直觀的電路圖捕捉環(huán)境, 輕松設(shè)計(jì)電路；(4)借助高級(jí)電路分析, 理解基本設(shè)計(jì)特征；(5)通過(guò)一個(gè)工具鏈, 無(wú)縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試。（二）仿真過(guò)程1、正弦波電路仿真在Multisim界面中按圖選擇元件并連接好電路圖，具體仿真電路圖見(jiàn)圖4.1。在集成運(yùn)放uA741的3腳輸入端及6腳輸出端分別接示波器。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕觀察波形情況發(fā)現(xiàn)如下情況11：(1)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有振蕩波形出現(xiàn)；(2)

39、慢慢調(diào)節(jié)電位器R7出現(xiàn)正弦波，剛開(kāi)始波形不穩(wěn)定，幅度較??；(3)幅度開(kāi)始增大，增大到一定程度不再增大而是穩(wěn)定在某一個(gè)數(shù)值；(4)同時(shí)調(diào)節(jié)R3，R4發(fā)現(xiàn)示波器上頻率發(fā)生變化；圖4.1 RC橋式振蕩電路仿真圖(5)調(diào)節(jié)R7發(fā)現(xiàn)波形幅度發(fā)生變化。根據(jù)正弦波起振條件當(dāng)電位器R7滑動(dòng)端滑到25%時(shí)觀察到示波器上開(kāi)始出現(xiàn)振蕩波形如圖4.2所示，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間幅度穩(wěn)定在一固定值如圖4.3。電路起振后改變R7的阻值大小時(shí)正弦波的幅度發(fā)生變化，隨著滑動(dòng)百分比的增大而增大減小而減小。當(dāng)滑到20%時(shí)幅度慢慢變小直至變?yōu)?，如圖4.4是當(dāng)滑動(dòng)端滑到15%時(shí)的波形變化。由此可得結(jié)論：起振后的正弦波電路幅度可在電位器R7滑

40、片比例為20%100%范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)可調(diào)。觀察到穩(wěn)定的正弦波形后同時(shí)調(diào)節(jié)可調(diào)電位器R3、R4發(fā)現(xiàn)波形頻率發(fā)生改變，如圖4.5所示為頻率減小過(guò)程。圖4.2 正弦波起振過(guò)程圖4. 3 幅度穩(wěn)定的正弦波圖 4.4 正弦波停振過(guò)程圖4.5 頻率減小過(guò)程2、矩形波電路仿真與正弦波仿真情況一樣，先按照要求連接好電路圖，如圖4.6所示。為能更好的研究波形情況，分別將555定時(shí)器3腳輸出端（即運(yùn)放輸入端）和集成運(yùn)放的輸出端接入示波器，以此對(duì)兩個(gè)不同的輸出口的波形進(jìn)行比較分析。圖4.6 矩形脈沖電路仿真圖點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕觀察波形：(1)示波器1觀察到輸出的矩形波質(zhì)量比較好；(2)示波器2觀察到的矩形波質(zhì)量比示波器1輸出

41、波形質(zhì)量稍差；(3)兩個(gè)示波器顯示的波形上升時(shí)間和下降時(shí)間均小于1us且沒(méi)有平頂斜降；(4)兩個(gè)示波器顯示波形頻率基本相同，占空比相同，幅度相差很大；(5)調(diào)節(jié)可變電容C2發(fā)現(xiàn)波形頻率發(fā)生改變，調(diào)節(jié)可變電阻R2發(fā)現(xiàn)占空比變化，調(diào)節(jié)可變電阻R6發(fā)現(xiàn)波形幅度發(fā)生變化，但隨之上升（下降）時(shí)間也輕微變化。如圖4.7所示是當(dāng)R5接入電路中的比例變化時(shí)的波形變化圖，圖4.8所示是當(dāng)調(diào)節(jié)R2比例大小時(shí)的波形變化圖，圖4.9所示是調(diào)節(jié)電容C2時(shí)波形變化圖。圖 4.7 幅度變化過(guò)程圖 4.8占空比變化過(guò)程圖 4.9 頻率變化過(guò)程（三）數(shù)據(jù)測(cè)量與分析將兩個(gè)電路波形仿真數(shù)據(jù)結(jié)果記錄如下表41，42，43。表41是正

42、弦振蕩電路頻率變化數(shù)據(jù)，表42是矩形脈沖電路占空比變化數(shù)據(jù)，表43是矩形脈沖電路頻率變化數(shù)據(jù)。表41 正弦波頻率可調(diào)范圍R1=R2 ()Y(%)C1=C2 (uf)(HZ)頻率穩(wěn)定度理論值測(cè)量值795.800.12.00K2.0K0795.8200.196.1396.00.00152795.8400.149.2549.20.00102795.8600.133.1133.10.00030795.8800.124.9324.90.00120795.81000.120.0020.00注1： Y為同軸雙聯(lián)電位器接入選頻線路的電阻阻值大小占整個(gè)同軸雙聯(lián)電位器阻值大小的百分比 注2：w0為角頻率測(cè)量值，w

43、i為理論值， 由上表分析得：平均頻率穩(wěn)定度12，實(shí)際測(cè)量出的頻率與理論上計(jì)算出的頻率大小幾乎一樣，可調(diào)范圍是20HZ2 KHZ。表42 矩形波占空比可調(diào)范圍R1(K)X(%)R3(K)q(%)理論值測(cè)量值1012.02.36120121.222.13140140.435.60160159.654.51180178.874.021100198.097.28 注：X為R2中接入充電支路的電阻阻值大小占整個(gè)R2阻值大小的百分比由上表看出理論上占空比的可調(diào)范圍是2%98%，實(shí)際的測(cè)量中因?yàn)榉抡媸静ㄆ鞅旧泶嬖诘恼`差以及測(cè)量誤差導(dǎo)致占空比的可調(diào)范圍是2.36%97.28%，可近似認(rèn)為占空比可調(diào)范圍為2%9

44、8%。表43 矩形波頻率可調(diào)范圍R (K)C2(nf)(HZ)相對(duì)誤差 （）理論值測(cè)量值5014.42.00K1.89 K5.55045641.206006.450100288.542609.95050057.7153.96.650122023.6622.07.050144020.0419.52.69注： R為充放電線路中總電阻，C2為可變電容由上表看出理論上頻率的可調(diào)范圍是20HZ2 KHZ，實(shí)際的測(cè)量中頻率的可調(diào)范圍是19.5HZ1.89KHZ，存在誤差。我認(rèn)為是仿真軟件本身存在的儀器誤差和示波器測(cè)量的不穩(wěn)定性造成的，仍可近似認(rèn)為頻率可調(diào)范圍是20HZ2 KHZ。仿真結(jié)論：由上述仿真過(guò)程及測(cè)量的數(shù)據(jù)表格可以看出，對(duì)于正弦信號(hào)源頻率可調(diào)范圍是20HZ2 KHZ，頻率穩(wěn)定度高；對(duì)于脈沖信號(hào)源頻率可調(diào)范圍是