低频正弦信号发生器1[1].1

正弦信号发生器 2401060124 低频正弦信号发生器 1.摘要 正弦信号发生器是信号中最常见的一种，它能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号在这些信号发生器中，又以低频正弦信号发生器最为常用，在科学研究及生产实践中均有着广泛应用。 目前，常用的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成的，电路的组成主要包括选频网络，反馈网络，以及放大部分。所以，从结构上看，正弦信号发生器就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。分析RC串并联选频网络的特性，根据正弦波振荡电路的两个条件，即振幅平衡与相位平衡，来选择合适的放大电路指标，来构成一个完整的振荡电路。很多应用中都要用到范围可调的 LC 振荡器，它能够在电路输出负载变化时提供近似恒定的频率、几乎无谐波的输出。电路必须提供足够的增益才能使低阻抗的 LC 电路起振，并调整振荡的幅度，以提高频率稳定性，减小 THD（总谐波失真）。 但是，在一般的情况下，RC选频电路用于输出中频信号，LC选频电路用于输出高频信号，当需要这种模拟信号发生器用于输出低频率信号往往需要的RC值很大（LC输出高频，更难以满足要求），这样不但参数准确度难以保证，而且体积大和功耗都很大，低频性能难以满足要求。而由数字电路构成的低频信号发生器，多是由一些芯片组成，其低频性能比模拟信号发生器好得多，并且体积较小，输出的信号谐波较少，频率和振幅相对比较稳定。本文借助555定时器和两个4518级联的方式产生正弦信号，这种电路运算速度较高，系统集成度强，且实现更加简便。 2.题目分析： 任务要求设计一个正弦信号发生器，根据题目要求，该正弦信号发生器应具有如下功能及主要技术指标： a.输出一个纯净的正弦波，频率范围为20HZ～20KHZ，其电压幅值为±5V,且频率可以调节。 b.输出信号的频率和电压要求数字显示，需要分别设计能够显示频率和电压的电路。 关键词:正弦波；振荡电路；稳幅；频率显示，电压显示。 3.系统论证 正弦信号发生器又称正弦波振荡器，产生其信号的振荡器种类繁多，下面介绍三种切实可行的方案。 方案一：直接数字合成频率合成器（又称DDS）使用集成芯片AT89C52作为产生20HZ～器等部分实现调频、调幅，ASK、PSK等功能，系统采用自动增益控制电路，通过启动DDS电路，把内存缓存区的数据送到DDS后输出相应的频率，使输出信号峰．峰值稳定在5 V左右，并送到20kHZ正弦信号的核心部件，并且运用DDS电路、8位数码管显示、功率放大LED(发光二极管)显示器进行显示。该系统输出稳定度和精度极高，适用于通信系统和高精度仪器。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和DSP(数字信号处理器，DDS系统的一个显著特点是在DSP控制下能精确快速地处理频率和相位)、高速D／A变换器产生所需的数字波形(通常是正弦波形)，经过模拟滤波器后，得到最终的频谱纯净、频率和相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波形，此正弦波能够直接作为基准信号源。下图是整个系统的流程图： 系统原理图1 但是直接数字频率合成式(DDS)信号发生器，其电路实现起来不是很容易，需用的集成芯片较复杂，且需要其他外围器件，因而其成本较高．它所使用硬件描述语言实现脉宽输出简化编程复杂度，其输出显示需要LED数码管与单片机合作使用，对于我们刚学完汇编语言的大学生来说，实现起来甚是困难。 方案二：基于正弦脉宽凋制(SPWM)理论．提出适合于数字电路实现的，抗干扰性强，可靠性较高的一种正弦信号发生器构想，它的总体构思是利用可编程逻辑器件(PLD)产生正弦调制的脉宽信号，然后通过三相PWM 逆变电路实现滤波从而产生精确的正弦信号．其优点在于使用可编程逻辑器件，使得整个电路控制灵活(可以在线编程)，而且可实现的输出频率范围广；采用脉宽调制形式使得能够对输出电压幅度和频率连续调节；滤波 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 简单有效．与常规的用模拟电路方式实现的信号发生器和查 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 式的信号发生器相比，它的输出频率稳定、精度高、范围广。 脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)是用载波信号调制相当于基波的正弦信号，从而达到能够调节输出脉宽的方式．正弦信号脉宽调制，它是采用三角载波信号调制正弦信号．其传统的实现方法，是让三角波发生电路与正弦波发生电路通过一个比较器产生脉宽调制波． 但是，采用这种方式实现的脉宽信号大多采用模拟电路控制，由于采用大量的模拟元件组成电路，容易受温度漂移影响，造成频率和相位不稳定．它的控制电路复杂，给安装和调试带来不便。 方案三：基于555定时器构成的多谐振荡器能够产生正弦信号，可以采用数字电路作为正弦信号发生器。这种方法是由555首先产生正弦信号波，然后使其通过两个双BCD加法计数器4518，进行4级级联分频，选出满足要求的某一特定频率，再通过后面的滤波电路和放大电路输出信号。对于频率和电压的显示，再分别设计电路图，通过模数转换芯片使其变成能够在数码管上显示的数字信号。这种设计电路的核心部件是555定时器，通过调节滑动变阻器来改变信号的频率，使其满足要求，在20HZ～20kHZ变化，当然也可以用另一个变阻器来使电压达到5V。 SHAPE \* MERGEFORMAT 系统原理图2 对上述电路的实现以及调节方法都比较简便可靠，并且产生的正弦信号误差较小，与理论值相差不大，只是在显示频率和电压方面，由于其电路中用到的元件主要是模数转换器，还附加另外的一些元件，使其连接变得很复杂，需认真看图。对我们来说，这些方法在我们的知识范围内，其原理和一些注意要点都为我们所熟悉，用到的一些芯片可以通过查阅参考书了解其作用和其原理以及管脚图的连接，这种方法是一种比较适合我们设计产生正弦信号的方法。当然，方案一和方案三在产生的信号也许比方案三更加精确，误差更小，但是，其中用到的许多元件以及电路连接相当复杂，特别是对于单片机的使用，对我们要求太高了。 综合以上考虑，采用方案三比较适合。 4.系统设计 总体原理图如图2所示。此电路系统主要由三大模块组成：正弦信号的产生、频率的数字显示、电压的数字显示等部分组成，各组成部分电路相互独立设计，其核心电路为正弦信号发生器。 （1）正弦信号发生器的设计 正弦信号发生器主要由芯片定时器555、两片4518BP、开关电容滤波MF10、TL082等元件构成，分别以各元件为核心，组成正弦信号发生器的各个功能部分：脉冲生成、频率分频、波形滤波、功率放大等。 原理说明和电路连接： a．无稳态多谐振荡器，它不需要外加输入信号，只要接通电源，就能自动产生矩形脉冲信号。并且其矩形脉冲的频率只由电路参数R、C决定，调节R或C即可改变频率，所以输出的脉冲较稳定，抗干扰能力强，频率覆盖范围较广，且易于调节，用此芯片实现此电路低频正弦信号的产生比较适合。 555定时器内部结构 图3 555构成的多谐振荡器 图4 分析其工作原理：在图3所示电路中，用的电源是直流9V，当接通电源U1后，电容C上的初始电压为0V，比较器C1、C2输出为1和0，使U=1，放电管T截止，电源通过R1、R2向C3充电。Uc上升至2Ucc/3时，RS触发器被复位，使U=0，T导通，电容C通过R1到地放电，Uc开始下降，当Uc降到Ucc/3时，输出U0又翻回到1状态，放电管T截止，电容C又开始充电。如此周而复始，就可输出矩形波信号。其工作波形图为： 电容电压Ucc 图5 U的波形 图6 b．由555输出的信号为矩形脉冲，只有进行分频才能得到所需要的正弦波，通常情况下是用模拟信号发生器（RC或LC）实现选频，但用这种模拟信号发生器用于输出低频率信号往往需要的RC值很大（LC输出高频，更难以满足要求），这样不但参数准确度难以保证，而且体积大和功耗都很大，低频性能难以满足要求。基于此，此电路使用的是数字电路元件BCD加法计数器4518芯片实现分频功能，将两片BCD加法计数器4518芯片4级级联即可实现此功能，电路连接图为： 两片4518级联连接 图7 对于分频电路，4518是此部分核心，要充分理解和掌握4518的功能和连接是十分必要的。4518的管脚图如6所示。4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其功能引脚分别为1～7和9～15.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚；9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚，11脚～14脚）。4518控制功能： 4518有两个时钟输入端CP和EN,若用时钟上升沿触发,信号由CP输入,此时EN端为高电平（1）,若用时钟下降沿触发,信号由EN输入,此时CP端为低电平（0）,同时复位端RE也保持低电平（0）,只有满足了这些条件时,电路才会处于计数状态.否则没办法工作。 将数片4518串行级联时，尽管每片4518属并行计数，但就整体而言已变成串行计数了，如本文电路设计中就采用两片级联，4级级联。需要指出， 4518未设置进位端，但可利用Q4做输出端。有些时候误将第一级的Q4端接到第二级的CP端，则计数变成“逢八进一”了。原因在于Q4是在CP8作用下产生正跳变的，其上升沿不能作进位脉冲，只有其下降沿才是“逢十进一”的进位信号。正确接法应是将低位的Q4端接高位的EN端，高位计数器的CP端接USS。 4518的管脚图 图7 c.由上述分频电路输出的信号只有通过滤波电路，才可以输出正弦信号，只是此时的正弦信号幅值比较小，由于此部分要滤去高次谐波，只允许基波通过，所以，此部分使用的滤波器精度要很高，滤波效果要好，且稳定性要好，频带范围要宽，普通的滤波器是很难以满足要求的，本实验电路用的器件是数字电路芯片MOS开关电容滤波器MF10，MF10由模拟信号通道和时钟控制电路2大部分组成，模拟信号通道由运算放大器，加减电路和2级积分电路组成，每级积分电路的传输函数均为w0 / s ，其中w0 =2πf0 ，f0 由时钟频率fCLK 决定。改变外接电阻的阻值可以改变滤波器 的增益及品质因数Q值，改变外部时钟可以改变中心频率w0。 元件组成：它有2个独立的滤波器模块组成，这2个滤波器模块可以单独使用，构成一个一阶或二阶的滤波器电路，这2个模块也可级联构成四阶滤波器电路。MF10集带通，全通，高通，低通，带阻5种滤波器于一体，它对外部的唯一要求是滤波器所需的电阻。 只要外部电阻满足要求（常情况下电阻误差不大）的杂波而留下基波（正弦波），其输出就会非常准确的按照要求输出，稳定性和精确性良好，这一点对滤波电路是非常重要的。 MF10的管脚图 图8 d．前面所讲述的电路输出的信号幅值通常情况下都不会满足所需要求，需在其后面串接一个运算放大器，按照要求放大其输出值。本电路中用到的放大器为TL081，作为缓冲放大级。 电路参数计算： （1）频率计算：555产生的信号波的频率决定了正弦信号的频率，即正弦信号的频率就是矩形波的频率。 由图5和图6知，Uc将在Ucc/3与2Ucc/3之间变化，因而可求得电容C上的充电时间T1和放电时间T2 T1=（R1+Rp1）C3㏑2≈0.7（R1+Rp1） （1） T2=R1C㏑2≈0.7R2C （2） 所以输出矩形波的周期为 T=T1+T2=（Rp1+2R1）C㏑2≈0.7(Rp1+2R1)C （3） 振荡频率 f=1/T≈1.44/（Rp1+2R1）C （4） 在此电路中用到的电容C3是100nF，设计任务要求输出的频率范围为20HZ～20KHZ，根据式（4）计算可得： a． 当输出频率最小时，即f=20HZ时，滑动变阻器Rp1=0.72M。 b． 当输出频率最大时，即f=20kHZ时，滑动变阻器Rp1=0.52k 综上所述，滑动变阻器Rp1的阻值应在0.52k～0.72M之间变化时，输出的频率可满足要求。 （2）电压放大倍数的计算：在最后一级功率放大环节中，TL082起着电压放大器的作用，按照运算放大器的的计算原则可计算出器电压放大所需要的倍数。 i1= （5） if= （6） 根据理想化条件得知：U+=0，U-=U+=0.故反向输入端为虚地。且i1= if，所以有 U0=— Ui （7） 上式表明，输出电压与输入电压成比例运算关系，式中的负号表示U0与Ui反相。电路的电压放大倍数为 Auf= =- （9） 在电路中电压的幅值可以通过R9来调节，本电路设计中电阻R8=15k,变阻器电阻R9=150k，最大电压放大系数为10，设计任务要求其电压幅值为 ，所以由滤波器输出的电压幅值最小为500mV。 注：在电路中，由于对于分频元件BCD加法计数器4518和开关电容MF10的工作原理及参数的不熟悉，计算不出其理论放大倍数。本想通过仿真计算出其放大倍数，但我所用的仿真软件Multisim10中没有器件MF10，不能进行整个电路的仿真计算，但可以仿真出前两个环节的工作波形和工作电压。环节1（脉冲产生器）的输出波形如图5、图6，分频器的输出波形如图9，通过仿真万用表测得电压幅值为2.498V。 4518的输出波形 图9 正弦波输出电路图 图10 （2）.数字电压表电路设计 在设计任务中，要求输出电压幅值，由于正弦波输出电路产生的信号为模拟信号，不能直接进行数字显示，需要通过A/D转换电路转换成数字信号，驱动数码管显示电压幅值。本电路用到的数字电压显示电路是以3 1/2位数字A/D转换器7107为核心进行模拟信号到数字信号的转换的。具体的功能介绍如下： 7107是一块应用非常广泛的集成电路，它的工作原理采用双积分原理：采择阶段——正向积分，测量阶段——反向积分。它包含3 1/2位数字A/D转换器，可直接驱动LED数码管，内部有时钟发生器、分频器、记数器、锁存器，二---十进制计数器、译码器、驱动器等电路。内部设有参考电压、具有独立模拟开关、逻辑控制、显示驱动、自动调零功能等。数字电压表的构成是它的一种典型应用，在制作表时，数字显示用的数码管为共阳型，2K可调电阻最好选用多圈电阻，分压电阻选用误差较小的金属膜电阻，为防止芯片输出电流过大，超过功耗发热，在每个字段上串电阻进行限流，以便防止功耗过大，起保护芯片的功能。整个数字电压电路连接图如图13所示。 7107包含有40个管脚，具体的管脚图和各引脚的功能如图11所示。 7107的管脚图 图11 信号 ASK/PSK 调制单元 AD9851 椭圆低通滤波器 带宽放大器 监测 增益控制 89S52 显示 按键 基带信号 电阻调节 555信号发生器 两片4581级联分频 MF10开关电容滤波 JEEF功率放大 A/DICM7216 LED频率显示 DAC7107 七段数码管显示 14 _1234567893.unknown _1234567895.unknown _1234567896.unknown _1234567897.unknown _1234567894.unknown _1234567891.unknown _1234567892.unknown _1234567890.unknown