华科信号与系统课程设计信号发生器的设计与实现.docx

电气与电子工程学院 《信号与系统》 课 程 设 计 设计题目 信号发生器的设计与实现 指导老师 黄劲 班 级 姓 名 学 号 完成日期 2014 年 8 月 20 日 设计题目 信号发生器的设计与实现 信号发生器是指产生所需参数的电测试信号的仪器。按信号波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。 二．设计内容及要求 利用所学知识自己设计电路系统，构成信号发生器，要求能产生三种以上的信号。（可以一种电路产生多种信号，也可以由不同电路产生不同信号）。利用Matlab或PSPICE或PROTEL或其他软件仿真。 设计目的 1．进一步掌握函数信号发生器基本工作原理 2.学会运用Matlab或PSPICE或PROTEL进行绘图，仿真和分析，进一步验证和检验自己的电路设计 3. 培养自己电路设计能力和综合分析问题、解决问题的能力。 设计方案及原理 整体设计思路 过零比较器 文氏桥振荡电路 积分电路 首先产生正弦波，再由过零比较器产生方波，最后由积分电路产生三角波。正弦波通过RC串并联振荡电路（文氏桥振荡电路）产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比较器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。在三角波-方波产生电路的基础上，再加入二极管和电阻串联支路，即可构 成一个幅值可以改变的锯齿波发生器。 正弦波产生电路及原理 文氏电桥振荡电路又称RC串并联网络正弦波振荡电路，RC串并联网络具有 选频的作用，它与放大器结合起来即可构成RC振荡电路。它适用于产生频率小 于1MHz的低频振荡信号，频率和振幅较稳定，频率调节方便。 如上图所示，图中R1、C1、R2、C2构成串并联选频网络，接于运算放大器 的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。其余部分是带有 负反馈的??相放大电路，R3、R4、R5构成负反馈网络，确定电压增益使其满足 振荡的幅值条件。二极管D1、D2则有利于正弦波的起振和稳定输出幅度。 RC串并联网络的频率特性可以表示为 令则上式可简化为，以上频率特性可分别用幅频特性和相频特性的表达式表示如下： | | ， 根据RC串并联网络的选频特性及上述平衡条件容易得到RC正弦波振荡电路的振荡频率为： ； 振荡的幅度平衡条件| |是表示振荡电路已达到稳幅振荡时的情况。若要振荡电路能够自行起振，开始时必须满足的幅度条件。 已知当时，，由此可求得振荡电路的起振条件为： 同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为： 所以当 时，幅频响应的幅值为最大F=1/3，相频响应的相位角为零。且负反馈电压增益Av=(R3+R4+R5)/R4略大于3，由于电路中存在噪声，它的频谱分布很广，其中一定包括有ω=ω0=1/RC这样一个频率成分。这种微弱的信号，经过放大器和正反馈网络形成闭环。使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制使振荡幅度自动地稳定下来。 通过波形，可以清楚的看到起振到振幅稳定的过程。 2.方波-三角波产生电路 由电压比较器和积分器构成方波-三角波发生器实验电路，积分电路的输出电 压反馈至电压比较器的输入端，形成闭环，使电路产生自激振荡。由于采用了积 分电路，使方波-三角波发生器的性能大为改善，不仅得到的三角波线性度比较 理想，且振荡频率和幅度也便于调节。 设计电路图 图2.方波-三角波产生电路 电路中，Vout1输出的波形即为方波。 产生方波的部分电路采用了电压比较器。电压比较器简称比较器，其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平电压，据此来判断输入信号的大小和极性。电压比较器常用于自动控制、波形产生与变换，模数转换以及越限报警等许多场合。 电压比较器通常由集成运放构成，与普通运放电路不同的是，比较器中的集成运放大多处于开环或正反馈的状态。只要在两个输入端加一个很小的信号，运放就会进入非线性区，属于集成运放的非线性应用范围。在分析比较器时， 虚断路原则仍成立，虚短及虚地等概念仅在判断临界情况时才适应。 本电路采用的是同相输入的过零比较器。当Vp大于零时，Vout1输出为+Vz，当Vp小于零时，Vout1输出为-Vz。由此即可产生方波。改变D1,D2可以改变方波输出幅值。 输出