正弦波發(fā)生器設計與仿真

1、課程設計說明書NO.11正弦波發(fā)生器的設計與仿真1 .課程設計目的通過對正弦波發(fā)生器的設計和實現(xiàn)，掌握基本信號發(fā)生電路的工作原理及設計方法，掌 握利用MulisimIO的基本操作，完成對電路的仿真和波形的測試分析；學會利用Protel 2004, 實現(xiàn)電路繪制以及PCB勺生成以及學會設計方法和設計規(guī)則的設置， 從而對信號發(fā)生器有進 一步的了解。并能夠對設計結果加以分析。提高對運算放大器非線性應用的知識，提高綜合 性實踐環(huán)節(jié)中設計電路，運行仿真，設計印制電路板等綜合能力。2 .設計方案論證2.1 概述本次課程設計主要通過 MulisimIO和Protel 2004軟件完成正弦波發(fā)生器原理圖的 繪

2、制及PCB圖的繪制，課設題目為正弦波發(fā)生器2.2 原理論證首先，我們知道波形發(fā)生器與振蕩是什么關系：振蕩電路可以產(chǎn)生很多頻率的波（比 如一個脈沖方波就是多次諧波的疊加），從中選出所需的，也就是發(fā)生了特定頻率的某種 波。比如正弦波的發(fā)生就是從正弦波振蕩電路中利用選頻網(wǎng)絡選出特定頻率的正弦波。正弦波振蕩器由基本放大器、反饋網(wǎng)絡、選頻網(wǎng)絡的穩(wěn)幅網(wǎng)絡4部分組成，他們的作用分別是：放大器和反饋網(wǎng)絡組成正反饋放大器，選頻網(wǎng)絡用來提取特定頻率的正弦波發(fā)生器。振蕩電路多種多樣，下面討論RC正弦波振蕩電路：此種電路通常用來產(chǎn)生頻率低于1MHz的低頻信號，它用被稱為文氏電橋振蕩電路。如圖1所示，R用R2, Ci并

3、C2,與R3和R4構成了四臂電橋，反饋網(wǎng)絡和選頻網(wǎng)絡有 RC 用并連電路（方框中的部分）組成，反饋信號從運放的正向輸入端輸入，所以是正反饋，1 選擇的頻率酒足f0 ,選參數(shù)時注意，R1 R2,CC2,R4 2R302 RC1RC橋式正弦波振蕩電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡為選頻網(wǎng)絡和正反饋網(wǎng)絡，以電壓串聯(lián)負反 饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負載能力強，輸出電壓失真小，實現(xiàn)簡單， 易于調試等優(yōu)點，因此選擇次設計方案。2.3使用Mulisim10仿真軟件實現(xiàn)電路的仿真如1圖所示：沈陽大學圖1 RC正弦振蕩電路原理圖圖1的仿真結果如圖2所示，可以驗證fo0 其中，T 2 R1cl =0.0942s

4、 , 2 R1cl從仿真結果中也可以看到。如圖 2所示:圖2 RC正弦波振蕩電路仿真結果仿真時，現(xiàn)實的振蕩發(fā)生器時因為外界環(huán)境擾動而起振的，計算機仿真時，要模擬出這個擾動才讓振蕩器起振，就是把 R4設置成一個電位器，把它稍微調離理論值，開啟仿真之后，再將R4調回理論值即給振蕩2個擾動。2.4使用MulisimIO仿真軟件實現(xiàn)電路的分析(1)選擇瞬時分析、傅里葉分析和交流小信號分析；(2)設置瞬時分析起始時間、終止時間、不長時間和最大不長時間分別為0/10ms、200ns 和 2us ;(3)設置傅里葉分析的基本頻率為計算所得的頻率、諧波數(shù)為 5;(4)設置交流小信號分析的起始頻率、終止頻率、和

5、測試點數(shù)分別為1kHz/10kHz和1000,分析類型選擇為線性；(5)運行仿真分析；(6)在瞬態(tài)分析輸出結果中，觀察輸出電壓 V的波形，注意振蕩電路起振過程。利用 光標A和B輸出電壓的頻率和有效值；(7)在傅里葉分析輸出結果中觀察輸出電壓 V的頻譜分布，利用光標得出輸出電壓的 直流分量、基波分量和各次諧波的分量的頻率和大小。經(jīng)過計算分析總結如表1:表1 RC振蕩器的工作過程分析類型分析結果瞬時分析Vo波形/效值(V)所(Hz)如圖30.71460付立葉分析分量名直流基波2次諧波3次諧波f (Hz)0146029204380Vo (V)00.950.030.16交流小信號分析特性 曲線如圖4振

6、海頻 率(Hz)1.55K、(8)將反向并聯(lián)的二極管重新與電路連接，電阻R2改為20k ，運行瞬時分析再將電阻R2的值改為25 k ,運行瞬時分析(9)將電阻R3和R4均改為20 k ,運行瞬時分析和交流小信號分析， 觀察電阻R3和R4保持為10k ,電容Ci和C2均改為0.02 f ,運行瞬時分析和交流小信號分析。輸出波形及分析結果如表2:圖6表2穩(wěn)幅環(huán)節(jié)、放大倍數(shù)和選頻網(wǎng)絡參數(shù)對振蕩的影響穩(wěn)幅環(huán)節(jié)對振蕩的影響放大倍數(shù)對振蕩的 影響選頻網(wǎng)絡對振蕩頻率的影 響穩(wěn)幅 劃、節(jié)有無R2值20K25K選頻 參數(shù)R=20KC=0.01uR=20KC=0.02uVo波見圖3見圖5Vo波形如圖6如圖7振海

7、頻率731Hz365Hz3 .設計制作PCBt作流程運行Protel2004 ,直接選擇File->New->PCB命令，則系統(tǒng)生成一張沒有定義的邊界的PCBS紙，然后對其參數(shù)做修改，如圖 8所示:I IXP因 立勺電 端叁三通 慶6苦逢9總計 二且H 長乩四 的兇P；B1 f'jD ：7'*NrrPi“廠中遇戴|中網(wǎng)&設源通人掌：對圖 8 所示的 PCB圖紙，選擇 Design->Board Shape->Redefine Board Shape 命令進 行重定義板型。此時，光標變成十字形沒，工作窗口變成綠色，系統(tǒng)進入PC由卜形窗口，在PCB圖

8、紙的適當位置點擊鼠標作為起點，依次完成 4個頂點的繪制，這樣電路板的衛(wèi)星輪廓 偶就確定下來了，在繪制好的線框邊界上雙擊既可以彈出“線條屬性”的對話框，在該對話 框中可以對線條寬和顏色等特定進行設置，在線條的屬性設置完畢后可以選中Lock后面的復選框，這樣可以線條鎖定，使其位置、線性等參數(shù)固定下來，不會受到移動、刪除等所悟 操作的影響。如圖9所示：ath., . J. . ,* A ¥ ；n+w 引H DxP （£ Jtrt B 富應山 <* M 屯包號理10 aS出 位廿迫）T（j II）自忒內或回 將昌因 儂叱趙助坦1-F上I 0X1"及 MI-KCK31

9、.P:tii B' R M, ' T t i >沖 加小.贏咫 gdwier 1 £，州 Q而！0虬弋"，回如小不她圖9 PCB外形編輯物理邊界的設置包括交表，參考孔位置、外部尺寸等參數(shù)。通常選用一個機械層來設定 物理邊界，而在其他機械層放置尺寸、對齊標記等。根據(jù)圖9所裁出的PCB選擇Edit->Origin->Set 命令設置PCB的坐標原點，鼠標這是變成十字形狀，一邊在 PCB勺左下 角點擊以設置坐標原點，為了精確定位，在操作中結合鍵盤上的Page Up和Page Down®進行放大和縮小操作。在PCBftt置工具欄中單擊選擇

10、 Place->Line命令，此時光標變成十字形。 將光標移動至（0,0）處，單擊確定下邊界的起點，然后移動鼠標至（2370,0）處，再單擊 確定下邊界的終點，然后單擊鼠標右鍵，此時就確定了下邊界的長度和位置。在圖9中，放置如圖10所示的電路原理圖。在Protel 2004中先創(chuàng)建一個PCB的項目， 向其中添加一個原理圖文件和一個 PCB文件，并完成原理圖的繪制和生成 PCB如圖10所 示：B«a-er 2HCapIjFLT10l3hO3IT1Jarres,'KLtKCapluF1Kzz-圖10正弦波放大器在圖10中，在繪制這張電路圖的過程中,合適的封裝放置在電路中，例

11、如電阻這個器件,在選擇器件的過程中，就可以有意識的選擇就具有直插和切片兩種封裝，選擇圖11的封裝形式。時緩沖放大器如圖12所示7T仃K .:.而Tt*I口 nLAI-01LT 口沖ArrolT電 ImgVl：jj Rg T.scc*ij。金 Ihfl-imriifir可特眸Fs何 f yF3J15 Pf E-ia",R Ul |Rm li4|lT Rajaln H營口.由IE - u 1=1。R。工學皿 HDIP-IBi | 1=1和1雕，1-1年1 Ra dki H150 GIF, I - I .1! ! :； I I- h - -I - - . '-M. I .RTI1-

12、Re2OR F r-cip-rt£ taFir Irts-tiiij*+ _| O P Oual iF'ra-uxiDn J FE!'' ' < I I I J I - IH-i |J O F- Du-bI IFrec4fi44Fi J FE I DP i&uNFR1&中mJFE + _J O P Dual lFr«cdxinn J FE hi UI O'P- Ouri pNcdBin J FE + J - p FwTtibi JHE H-l Li OPJffci J - P 口，丹J FT013 OC-p3&#

13、187;WFl-5inf+ff -ojt«LT 8m “白Li Owfl JQLT Ocf .! H BLT 2 JgLT Qpwa H ELl Op# a J 9L-TT Qobti N 0LU 口口ere m BLT OMfV J8VP* J9 F«i：w<tZ Pil EE S：wiiJ*on口文件L T Op&ihm! & ClP2 a5E <=kt圖 11 DIPS圖 12 U1A在放置完器件后對其封裝進行修改， 雙擊已將放置的器件，在彈出的屬性對話中進行名 稱參數(shù)的修改如圖13所示：圖13原理圖中的器件封裝裝入原理圖至PCB當完成了電

14、路原理圖的繪制和電路板形狀，大小的確定后，確保電路原理圖和電路板在同一個項目中，打開PCB選擇Design->lmpotr changes from Logamp命令，系統(tǒng)便會自動將原理圖載入 PCBfro自動布線。裝入原理圖至PCBt,把原件封裝放 入PCB勺內部，這就需要對原件封裝進行布局。Protel2004提供了強大的自動布局功能，用戶只需要定義好規(guī)則，Protel可以將重疊的原件封裝分離開。然后進行手工布局，系統(tǒng) 對原件的自動布局一邊以尋找最短布線路徑為目標，因此原件的自動布局往往不理想， 用戶需要進行手工調整，或者直接用手工進行器件的布局。先選中改元器件，然后進行移動、旋 轉

15、、翻轉等操作。最終形成最理想的布局效果，此時選 Auto Route ->All命令，對整個PCB 進行布線，根據(jù)電路圖原理的復雜程度和布線難度的不同，Protel的布線時間也不用。布線完成后，就得到了如圖14所示的PCBHo圖14正弦波發(fā)生電路 PCB4 .設計體會Multisim 10,它不僅可以仿真弱電電子，也可以仿真強電，還可以仿真射頻微波和FPGA 并且仿真的數(shù)據(jù)也很準確。Multisim 是EWB勺升級版，早先的時候，很多電子工程師熱衷 于使用EWBE輔助設計，Multisim 卻包含了許多具體的元器件，可以在里面找到相關的型 號，然后開始驗證自己的設計是否正確合理。但是有一

16、個問題也會隨之而來，就是在設計電 路的時候不會從Mulitisim 中去查找合適的元件，而是根據(jù)要求與指標先查找合適的元件， 然后再去驗證自己的正確性，這樣一來，就會有許多元件可能在Multisim 中找不到，查找Multisim 中相同參數(shù)的元件又很麻煩，幸好 Multisim 可以創(chuàng)建仿真元件模型，否則的話， 我設計出來的東西就只有實際搭出來驗證了，這樣就會浪費很大的人力物力財力。PCB的設計，之前沒有布板經(jīng)驗，經(jīng)過這次課程設計之后終于體會到Protel 2004的強大功能了，Protel 2004引入了集成庫的概念，這使得在原理圖中選擇的元器件就已經(jīng)有了 需要的封裝，Protel 2004附帶了 68,000多個元件的設計庫，包括原理圖 FPGAS計的即調 即用及預綜合元件集成庫，并且這些封裝都能完全符合您的要求，當然，也可以修改這個元器件的封裝，這種改進型的布線規(guī)則以及內部算法的優(yōu)化都大大的提高了布線的成功率和準 確率。在設計規(guī)則中制定每個板層的走線規(guī)則，包括最短走線，水平，垂直等等。在使用過 程中我發(fā)現(xiàn)，只要布局適當，進行完全自動布線一次性成功率很高，而且布線完成后需要修 改的地方也比較少，只是有幾根走直角