低频信号发生器的设计

低频信号发生器的设计 张晓增1，赵日峰1，董鸿江2 (1．山东师范大学物理与电子科学学院山东济南250014，2．山东滕州卷烟厂山东滕州277500) 摘 要：信号发生器广泛应用于电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域。采用 集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器电路产生方波信号，以及充分利用差分电路进行电路转换，从而设计出 一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易信号发生器。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用Muhisim软件仿真 电路的理想输出结果，克服了设计低频信号发生器电路方面存在的技术难题，使得设计的低频信号发生器结构简单，实现方 便。该设计可产生低于10Hz的各波形输出，并已应用于实验操作。 关键词：信号发生器；方波信号；电路仿真；迟滞比较器 中图分类号：TN958．98 文献标识码：B 文章编号：1004—373X(2009)06—001—03 DesignofLow——frequencySignalGenerator ZHANGXiaozen91，ZHAOYuefeng。，DONGHongjian92 (1．CollegeofPhysicsandElectronics，ShandongNormalUniversity，Jinan，250014，Chinal2．CigarettesFactoryofTengzhou·Tengzhou·277500，China) Abstract：Signalgeneratoris widelyusedinmeasurement，communication，auto—controlandotherelectricfields． Combiningintegratedoperationalamplifierwithdiscretecomponents，thehysteresiscomparatorisusedtogeneratethesquare wave．andthedifferentialcircuitisusedtoconversethesignals．Soasimplesignalgeneratorisdesigned，whichcangenerate threewavesuchastriangularwave，sinewaveandsquarewave．Theparametersofthecircuitaretestedandrecognized．Multi— simsoftwaresimulatestheoutputofthethreewaves．Thetechniqueproblemsofthelow—frequencysignalgeneratorare solved．Itprovesthatthecircuitscangeneratethesignalsfrequencylowerthan10Hz，whichcanbeappliedinpracticaltest andmeasurement． Keywords：signalgenerator；squarewave；circuitsimulation；hysteresiscomparator O引言 较器产生方波输出；方波通过积分产生三角波输出Ⅲ。 信号发生器一般指能自动产生正弦波、方波、三角 波电压波形的电路或者仪器[1剖。电路形式可以采用 由运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生 器。这里，采用分立元件设计出能够产生3种常用实验 波形的信号发生器，并确定了各元件的参数，通过调整 和模拟输出，该电路可产生频率低于10Hz的3种信号 输出，具有原理简单、结构清晰、费用低廉的优点。该电 路已经用于实际电路的实验操作。 1波形转换原理 1．1 方波和三角波的产生 方波一三角波一正弦波信号发生器电路由运算放大 器电路及分立元件构成，其结构如图1所示。它利用比 收稿日期：2008—10一13 基金项目：国家863 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 高技术领域资助项目 (2002AAl35030) 图1三种波形变换示意图 1．2 利用差分放大电路实现三角波一正弦波的变换 波形变换原理是利用差分放大器传输特性曲线的 非线性，波形变换过程如图2所示嘲。由图2可以看 出，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好；三角波的 幅度Uh应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。 图2三角波和正弦波的转换示意图 万方数据 2电路设计及参数调整 根据设计功能，电路的设计过程分为正弦波、方波、 三角波3部分。 2．1 方波与三角波的产生及转换电路 图3中U，构成同相输入迟滞比较器电路，用于产 生输出方波。运算放大器U。与电阻R。。及电容构成积 分电路，用于将U。电路输出的方波作为输入，产生输 出三角波。 图3方波和三角波转换电路 方波部分与三角波部分的参数确定如下：根据性能指标可知，由T=箜≮掣一手可 见，，与C成正比，若要得到1～10Hz输出，C=10弘F； 若要得到10～100Hz输出，C一1肛F。此时，R4+Rp2= 7．5---75kQ，若取R．=5．1kQ，则R口2—2．4kQ或者 R。2=69．9kQ，因为Rp2—100kQ时，y三角一 R2 T，爵而哳¨ 根据输出的三角形幅值5V和输出的方波幅值 14V，若有：R2／(尺3+Rpl)14—5旁R2／(R3+R。1)= 5／14时，R2=lok12，则有R，l△47kQ，R3=20kQ。 根据方波的上升时间为2ms，可以选择74141型 号的运放。由此可得调整电阻为： Rl=R2／／(R3+R，1)全10kQ， R5一(Rt+R，2)全10kQ 2．2 正弦波产生电路 正弦波产生电路如图4所示。由于选取差分放大 电路对三角波一正弦波进行变换，选择KSP2222A型的 管，其静态曲线图像如图5所示‘61。 根据KSP2222A的静态特性曲线，选取静态工作 区的中心静态电流和电压分别为： I。=5mA，I口=0．25mA V。=0．12V，p一20 根据直流通路有： R。1×f。+V。一12=>R。1一Rcz一20kfl Vb2一Rb2×Ib净Rb2=6．8kQ V02／2—0．7+j。×Rp4／2=’Rp‘△100Q 2 因为静态工作点已经确定，所以静态电流变成已知。根 据KVL方程可计算出镜像电流源中各个电阻值的大小： Re．；Re3—2kQ，R一8ki2 12V -10 ．8 墨．6 。 ．4 ．2 0 如 图4正弦波产生电路 J：=25℃ -3l5 仁 ．280 |， ．245 ，厂 ．210 厂 ．175 ／一 ．140 5 -105 J≯ ．70 矿 -35uA y lb=0 ∞4 -08 ．I 2 -I6 -20 比，v 图5晶体管输出特性曲线 2．3 系统集成 把各分电路集中在一块电路板上，共用电源和接地 端后，整个信号发生器的结构变得紧凑美观，集成电路 图如图6所示。 3模拟实验结果及分析 3．1模拟结果 利用Multisim软件画出电路图‘"，在相应点接上 示波器，模拟电路结果。 改变尺。。的值，由2．4k12变为5．6kQ的输出结果 对比如下。 3．2结果分析 (1)频率范围 为便于测量，将电路图上的方波信号接人示波器， 并合上C。=10弘F的开关，断开Cz—l弘F的开关，然后 调节R茈，并测出此时方波信号频率的变化范围；断开 C-的开关，合上c2的开关，按照同样的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 调节Rp2， 并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 方波信号频率的变化范围，结果如表1所示。 电路的三种输出波形对比如图7所示。 万方数据 裹1记录的方波信号频睾变化 电容／pF 频率／Hz lO 1 1～ll 11～105 R{ 20k0 d融S等C, 馏。K 辟I(Ry47ko I 15∞／0 nRs U10k0 G 47uF 一卜_一 凡 4kQ 14V；撤除方波信号并接入三角波信号，调节Rpl'测得 三角波峰峰值U。=5V；将正弦波信号接入示波器，调 节Rp3和RpI，测得正弦波峰峰值％一2．8V。 图6信号发生器整体电路图 图7 电路三种输出波形对比 (2)输出电压 方波信号接入示波器，调节Rpl，得方波峰峰Vp，= 实验操作中。 4结语 函数信号发生器的性能 指标主要取决于元器件的选 择以及电路元器件参数的选 ∥择。在电路中接入示波器将 对电路的负载匹配产生一定 的影响，进而影响波形输出。 该设计中采用Multisim软件 对设计出的电路进行模拟， 对结果进行了仿真，电路可 产生低于10Hz的三种信号 波形．输出电压可以达到合 理范围，该电路已经应用于 参考文献 [1]康华光．电子技术基础模拟部分[M]．5版．北京：高等 教育出版社，2005． [23罗佰绥，熊小民，熊锴．简易函数信号发生器与计数器 设计口]．国外电子元器件，2008(7)：49—52． [33彭善琼，丁长松．一种新型信号发生器的设计与实现 [J-I．电子工程师，2007，33(2)：38—40． [43张宪，王春娴．电子元器件的选用与检测问答[M]．北 京：化学工业出版社，2005． [5]刘全盛，童子权．函数发生器的脉冲信号发生电路设计 I-J]．哈尔滨理工大学学报，2004，9(3)：31—34． [6]熊飞丽，王光明，刘国福．多功能智能函数信号发生器 的设计[J]．测控技术，2003，22(4)：9—12． [7]尹勇。李林凌．Multisim电路仿真与入门[M]．北京：科 学出版社，2005． [8]黄超，杨瑞明。杨广辉．任意信号发生器软件设计[J]． 现代电子技术，2008，31(10)：177—179． [9]王胜勇。韩月秋。陈禾．基于DDS的固定频率正弦信号 发生器的改进[J]．现代电子技术，2006，29(4)：11— 12，18． 《项代电子技市》(半月刊) 欢避订阅029--85393376 3 卜卜迪如 ^，营一箩v_l。II星6 之鸶点箩《一譬_善0 ^，蠲弭一雪《一≈重U ．^，Q量一§，《一g_m【Iu^，兰募—粤《可量_曩0^／＆基—o^《趸鲁曩0 万方数据 低频信号发生器的设计 作者： 张晓增， 赵曰峰， 董鸿江， ZHANG Xiaozeng， ZHAO Yuefeng， DONG Hongjiang 作者单位： 张晓增,赵曰峰,ZHANG Xiaozeng,ZHAO Yuefeng(山东师范大学,物理与电子科学学院,山东 ,济南,250014)， 董鸿江,DONG Hongjiang(山东滕州卷烟厂,山东,滕州,277500) 刊名： 现代电子技术 英文刊名： MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE 年，卷(期)： 2009，32(6) 被引用次数： 0次 参考文献(9条) 1.康华光 电子技术基础模拟部分 2005 2.罗佰绥.熊小民.熊锴 简易函数信号发生器与计数器设计[期刊论文]-国外电子元器件 2008(07) 3.彭善琼.丁长松 一种新型信号发生器的设计与实现[期刊论文]-电子工程师 2007(02) 4.张宪.王春娴 电子元器件的选用与检测问答 2005 5.刘全盛.童子权 函数发生器的脉冲信号发生电路设计[期刊论文]-哈尔滨理工大学学报 2004(03) 6.熊飞丽.王光明.刘国福 多功能智能函数信号发生器的设计[期刊论文]-测控技术 2003(04) 7.尹勇.李林凌 Multisim电路仿真与入门 2005 8.黄超.杨瑞明.杨广辉 任意信号发生器软件设计[期刊论文]-现代电子技术 2008(10) 9.王胜勇.韩月秋.陈禾 基于DDS的固定频率正弦信号发生器的改进[期刊论文]-现代电子技术 2006(04) 相似文献(10条) 1.学位论文 何国才 远程实验系统研究及其信号发生器设计 2005 随着信息技术的发展，现代意义下的测控技术已经不是单一的测控，而是同计算机技术，网络技术和通信技术相结合的高新技术。远程监测系统已 经不是简单的仪器网络，更是控制网络和Internet网络的结合。以Internet为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方 式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易。Internet拥有的资源正在应用于越来越多的领域中，比如电子商务、网上教学、远程医 疗、远程数据采集与控制、高档测量仪器设备资源的远程实时调用、远程设备故障诊断，等等。 远程电子电路实验系统是北方交通大学电子电路实验中心自主研发的一套远程教学系统，是远程教学的一种新的尝试。它能很好的满足我国教学资 源严重缺乏的现状。但运行中，也发现系统存在一些问题，有必要对系统作一些改进。面对嵌入式技术的飞速发展，把嵌入式技术应用于系统，对整个 服务器端进行集成改造。使其在性能和维护方面，更有利于推广和使用。整个远程实验室系统服务器端的集成设计是一个复杂的综合课题，对整个服务 器端的完全改造也是一个庞大的工程。它主要包括嵌入式服务器的设计，嵌入式示波器的设计和嵌入式信号发生器的设计等等。 本文详细的分析了整套远程实验室系统的软件硬件结构，并对存在的问题进行了分析和介绍。提出了解决系统存在问题的方法和 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。在信号源的 设计方面，分析了系统所需要的信号源指标和参数，最后选择了基于DDS实现信号源的设计方法。本文在对DDS技术及其杂散信号作详细分析的前提下 ，实现了基于DDS的信号发生器电路设计。 设计的信号发生系统主要是针对电子电路实验的相关测量，基于这种应用。所设计信号发生器主要指标如下： 1.波形选择范围根据应用需要，所设计信号发生器要能产生正弦信号、方波信号、三角波信号、梯形波信号等常规信号。这些常规信号先以数字的 方式存放到存储器中，这可以根据以后的需要再行扩充。需要存放的波形种类越多，则存放波形的存储器容量要求也就越大。 2.频率分辨率分辨率是信号发生器的重要参数，所设计信号发生器对频率分辨率的要求为1Hz。输出频率连续可调。 3.频率切换时间由于系统是分时复用的，要求频率切换时间越短越好。所设计信号发生器要求频率切换时间为100ns。在DDS系统中，在频率控制字 K改变以后，经一个时钟周期之后就按照新的相位增量累加，所以也可以说它的频率转换时间就是频率控制字的传输时间，即一个时钟周期Tc=1/fclk。 选择合适的时钟就可以达到要求。 4.输出频率范围根据基础电子电路实验应用的电子测量要求，所设计信号发生器要能产生最低1Hz信号，正弦波最高频率为5MHz，方波信号、三角波 信号、梯形波信号最高频率为1MHz。 2.期刊论文 张鹏超.刘沛.ZHANG Pengchao.LIU Pei 一种多功能信号发生器的设计与实现 -现代电子技术 2005,28(20) 针对目前常用信号发生器存在的功能模式固定、价格昂贵、操作不便的缺陷,提出了一种新型多功能的信号发生器,其输出信号的幅值、脉宽、频率 、持续时间等均可调,并具有历史数据存储与回放的功能.详细介绍了其工作的基本原理并给出了具体的软硬件实现方法.与同类产品相比,该信号发生器 具有功能齐全、操作简便、体积小巧等特点. 3.期刊论文 林若波.LIN Ruobo 基于PIC16F877A的方波信号发生器电路设计 -现代电子技术2006,29(12) 方波信号是数字电路中非常重要的信号源,其产生方法有很多途径.本设计是基于MPLAB-IDE 平台通过对方波信号发生器的电路分析,介绍了方波信号 的产生原理和软件实现过程,并利用PIC单片机的定时器/计数器技术对PIC16F877A进行编程;通过对TMR0模块进行设置,使其分频比改变,产生8种不同频率 的方波信号,同时改变初始值,产生任意频率的方波信号. 4.学位论文 毛敏 基于DDS的高精度方波信号发生器的研究 2006 现代战争是争夺电子频谱控制权的战争，而频率合成器可以产生电子频谱，因而频率合成器被人们喻为众多电子系统的“心脏”，具有很重要的应 用价值，广泛应用在空间通信、雷达测量、遥测遥控、无线电定位、卫星导航和数字通信等先进的电子系统中。 直接数字频率合成(DDS)是继直接式和锁相式频率合成技术之后的新一代频率合成技术，它是一种在数字域中产生和处理正弦波形或其它连续波形的 数字技术；对于要求高速跳频、输出相位控制和优良相位噪声性能的应用是首选的技术。 本文沦述TDDS的工作原理、基本结构、特性分析和输出频谱，分析TDDS输出频谱杂散的主要来源：相位截断误差、幅度量化误差、以及DAC非线性误 差，并提出了减少杂散的方法。 本文目标是设计一个方波信号发生器。主要利用单片机控制DDS芯片(AD9952)产生可控方波信号频率源，本文所使用的DDS芯片AD9952的系统时钟最 高可达400MHz，输出信号的最高频率为160MHz，只要改变AD9952程序中的频率控制字，就可以根据需要产生不同频率的方波信号。然后根据信号发生器 输出的一组频率值，利用差拍法分别测量其频率稳定度，得出该信号发生器的稳定度。 主要内容包括MCU与DDS的接口电路设计、滤波器的设计、其他电路的设计，以及软件设计等。 通过电路试验，该信号发生器所产生的频率信号的稳定度可达到10<'-11>～10<'12>/s的量级，在很多情况下，就可以作为频率信号源来使用，符合 设计要求。 5.期刊论文 杨道生.YANG Dao-sheng 用信号发生器和数字示波器演示通电自感现象中的暂态过程规律 -文山师范 高等专科学校学报2008,21(1) 文章讨论了应用信号发生器和数字示波器得到稳定的自感电动势波形的方法及用信号发生器和数字示波器演示通电自感现象中的暂态过程规律的具 体做法. 6.期刊论文 陶志福.陈美珠.TAO Zhi-fu.HUAI Wen-jun 基于CPLD的多用信号发生器的研究与设计 -苏州市职业大 学学报2008,19(3) 以AT89C51系列单片机和CPLD芯片为核心,由运算放大器LM318等器件构成多用信号发生器.该信号发生器利用晶振产生的振荡信号展开设计,运用软件 计算出所需波形的频率、相位,再利用RAM读出技术将数据从CPLD的内部读出,并经过高速A/D转换器后输出脉冲信号.该信号经外部滤波放大,产生稳定的 方波信号.经过进一步的处理,方波信号转化为三角波和正弦波信号,然后再利用软件部分对该系统的控制,使信号发生器能够产生幅值可调的正弦波、三 角波和方波信号,且其输出频率能够在10HZ～100KHZ范围内连续可调. 7.学位论文 刘红雨 DDS信号发生器的研究 2003 该文介绍了DDS技术的基本工作原理及其特点,并在此基础上详细给出了DDS频率合成器的设计方案.在此系统中,用户可通过键盘输入所需频率信号的 数据,利用单片机PIC16F877计算出相应的频率控制字,并对DDS芯片AD9852进行编程,由AD7520内部的电阻分压网络实现幅度控制,最终得到所要求的输出 波形.该系统主要由输入模块、控制模块、频率合成模块和输出模块组成.不仅可以产生正弦波和方波信号,还可以利用单片机产生的脉宽调制信号作为内 调制源,实现FSK和PSK数字调制.实验表明,DDS信号发生器工作稳定,易于实现,输出频率分辨率高,可以满足人们不断提高的要求. 8.期刊论文 宋进红.张晓丽.张芳芳.SONG Jin-hong.ZHANG Xiao-li.ZHANG Fang-fang 基于PIC单片机的正交正弦 信号发生器的设计 -机械工程与自动化2008,""(5) 设计了一个基于PIC16F877A单片机和DDS芯片AD9854的数字信号发生器,该信号发生器可以根据输入方波信号自动输出两路同频率的正交正弦信号;对 PIC16F877A和AD9854的硬件实现方案及单片机的控制软件进行了详细的介绍.所设计的数字信号发生器具有输出信号正交性好、频率稳定度高、可以自动 跟踪输入方波信号的频率等特点. 9.期刊论文 孙群.宋卿.SUN Qun.SONG Qing 基于DDS技术的便携式波形信号发生器 -仪表技术与传感器2009,""(4) 根据直接数字频率合成(DDS)技术,以可编程DDS集成芯片AD9833为核心,设计了一种便携式信号发生器,可产生正弦波和方波信号.该信号发生器由供 电系统、单片机系统、DDS波形发生模块、幅度调节模块、方波发生模块、继电器输出模块等构成,介绍了相应的硬件和软件.实验表明:该信号发生器具 有信号频率误差小、分辨率高、体积小、质量轻等优点. 10.期刊论文 王立元.海涛.Wang Liyuan.Hai Tao 基于ATmega128的功率因数和频率测算系统研究 -实验技术与管 理2010,27(7) 设计了基于ATmega128的功率因数和频率测量电路,考虑到谐波干扰等因素,电路中采用了互感器TLC04 低通滤波器电路,并使用Matlab7.0对低通滤波 器的滤波性能进行了实验,考虑到电路需要测算三相功率因数和频率所以在电路中使用74VHC4052芯片,实现多路交流信号选通的功能.为了显示测量的频 率和功率因数,电路中使用了LM12864ZK液晶显示器.结合硬件电路推导出了一种频率和功率因数的算法,并进行了频率和功率因数的测算实验.在频率测算 实验中,使用信号发生器输出 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 频率.由于频率测量值出现跳变现象,引起测量误差,通过软件修正,明显提高了频率测算值的准确性.在功率因数测算实 验中,使用相位发生器设置交流电压和电流相位差,并使用算法测算.实验结果表明,算法计算出的相位差值达到了精度要求,进而准确计算出功率因数. 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_xddzjs200906001.aspx 授权使用：西北农林科技大学(xaxbnlkjdx)，授权号：d5a41c14-12b9-46ed-9d41-9e2b013b797c 下载时间：2010年11月11日