RC低频信号发生器的设计

论文题目:RC低频信号发生器的设计专业:12级自动化班级:四班学号:120806021401姓名:白航指导教师:柴常二零一四年六月二十五日I目录摘要........................................................................1第1章绪论.................................................................2第2章总体方案设计...........................................................42.1背景知识..............................................................42.2单元方案设计方案......................................................5第3章总原理图及元器件设计...................................................63.1低频信号发生器的主要性能指标..........................................63.2RC低频信号发生器电路组成.............................................73.3单元电路设计..........................................................83.4案例分析.............................................................163.5安装与调试...........................................................19第４章RC低频信号的仿真.....................................................204.1RC信号发生器的电路仿真图............................................204.2RC信号发生器的仿真结果..............................................21心得体会......................................................错误!未定义书签。参考文献.....................................................................23第1页摘要科技的日新月异和电子化产品的日益普及，电子产品的体积和规模与上个世纪相比变化巨大。各种复杂电路不断涌现，体积不断缩小，产品更新的速度不断加快。这些新的变化使得电路的设计工作变得复杂和繁重。如果在电子产品设计时仍然使用常规的人工方法，则需要耗费大量的人力和财力。电子设计自动化（ElectronicDesignAutomatic，简称EDA）的优越之处在这里得到体现，于是快速发展，计算机电子技术的发展大大减轻了人工的设计压力，同时缩短了设计开发时间，是电子开发人员必须掌握的技术。本次设计主要使通过对低频信号发生器的计算机仿真设计研究，初步掌握电路分析、仿真以及印刷电路板图的过程与步骤。此次设计的RC低频信号发生器的计算机仿真设计研究，主要分为以下几个部分：RC低频信号发生器的电路分析；RC低频信号发生器的仿真。关键词电子设计自动化；RC低频信号发生器第2页第1章绪论无论在全球移动通信系统、第三代移动通信系统、无线局域网等民用领域，还是在雷达、电子战、导航等军用领域，低频功率放大器作为这些系统中的前端器件，对其低耗、高效、体积小的要求迅速增加。本实用RC低频功率放大器设计有两部分组成前置放大级和功率放大级。前置放大级主要任务是完成小信号电压放大任务，同时要求低噪声、低温漂。功率放大级主要任务是在允许的失真限度内，尽可能高效率地向负载提供足够大的功率，要求是输出功率要大、效率要高。通过详尽的资料查询和严密的方案论证后，我们选择通过集成运放NE5532、LM1875、LF357的配套使用来使本电路系统设计简洁、实用并且达到高增益、高保真、高效率、低噪声、宽频带、快响应的指标。第4页第2章总体方案设计2.1背景知识低频信号发生器用来产生频率为20Hz～200kHz的正弦信号。除具有电压输出外，有的还有功率输出。所以，低频信号发生器的用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益和通频带，也可用于高频信号发生器的外调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。第5页2.2单元方案设计方案用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经积分电路产生三角波。此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变，须同时改变积分时间常数的大小.第6页第3章总原理图及元器件设计3.1低频信号发生器的主要性能指标（1）频率范围频率范围是指各项指标都能得到保证时的输出频率范围，或称有效频率范围。一般为20Hz～200kHz，现在做到1Hz～1MHZ并不困难。在有效频率范围内，频率应能连续调节。（2）频率准确度频率准确度是表明实际频率值与其标称频率值的相对偏离程度。一般为±3%。（3）频率稳定度频率稳定度是表明在一定时间间隔内，频率准确度的变化，所以实际上是频率不稳定度或漂移。没有足够的频率稳定度，就不可能保证足够的频率准确度。另外，频率的不稳定可能使某些测试无法进行。频率稳定度分长期稳定度和短期稳定度。频率稳定度一般应比频率准确度高一至二个数量级，一般应为（0.1～0.4）%/小时。（4）非线性失真振荡波形应尽可能接近正弦波，这项特性用非线性失真系数表示，希望失真系数不超过（1～3）%，有时要求低至0.1%。第7页（5）输出电压输出电压须能连续或步进调节，幅度应在0～10V范围内连续可调。（6）输出功率某些低频信号发生器要求有功率输出，以提供负载所需要的功率。输出功率一般为0.5～5W连续可调。（7）输出阻抗对于需要功率输出的低频信号发生器，为了与负载完美地匹配以减小波形失真和获得最大输出功率，必须有匹配输出变压器来改变输出阻抗以获得最佳匹配。如50Ω、75Ω、150Ω、600Ω和1.5kΩ等几种。（8）输出形式低频信号发生器应可以平衡输出与不平衡输出。3.2RC低频信号发生器电路组成低频信号发生器的原理方框图如图3-1所示。包括主振级、主振输出调节电位器、电压放大器、输出衰减器、功率放大器、阻抗变换器（输出变压器）和指示电压表。电压放大器电压输出主振级输出衰减器功率放大器阻抗变换器电平指示器功率输出电平调节K第8页图3-1低频信号发生器原理方框图主振级产生低频正弦振荡信号，经电压放大器放大，达到电压输出幅度的要求，经输出衰减器可直接输出电压，用主振输出调节电位器调节输出电压的大小。电压输出端的负载能力很弱，只能供给电压，故为电压输出。振荡信号再经功率放大器放大后，才能输出较大的功率。阻抗变换器用来匹配不同的负载阻抗，以便获得最大的功率输出。电压表通过开关换接，测量输出电压或输出功率。3.3单元电路设计（1）低频信号发生器的主振电路低频信号发生器的主振级几乎都采用RC桥式振荡电路。这种振荡器的频率调节方便，调节范围也较宽。RC桥式振荡器是一种反馈式振荡器，其原理电路如图3-2所示。T1、T2构成同相放大器，R1、C1、R2、C2为选频网络。选频网络的反馈系数OFVVF与频率有关（FV为反馈电压，OV为放大器输出电压）。因此，反馈网络具有选频特性，使得只有某一频率满足振荡的两个基本条件，即振幅和相位平衡条件。第9页R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10C1C2C3C4C5C6T1T2+Ec输出VfVo图3-2RC桥式振荡器选频网络是一个RC串并联反馈电路，其电路及频率特性如图3-3（a）、（b）所示。当频率很低接近零时，C1、C2的容抗趋向无穷大，Vo几乎全部降落在Cl上，VF与F近似为零，流过R2的电流也就是流过C1的电流，2C1FRIV，而C1I主要由C1来决定，故C1I相位超前OV90°，所以FV相位也超前OV90°。随着频率逐渐升高，C1的容抗逐渐减小，因此C1上的压降减小，R2上的分压则逐渐增加，VF与F亦逐渐增大，选频网络所引起的相移ψ也逐渐变小。ωω+90°00F1/3-90°ψω0ω0R1R2C1C2VV0FIC1...(a)(b)图3-3RC选频网络频率特性第10页当频率很高趋向无穷大时，Cl和C2的容抗都很小，Cl是串联于回路中，它与R1相比可以忽略，C2是与R2并联，由于C2的容抗很小，所以FV与F很小，FV为R1I在C2上的降压，R1I与OV同相，所以FV近似落后于OV90°。随着频率逐渐降低，VF和F也随着增大，相角ψ也逐渐减小。当ω=ω0时，VF和F达到最大，相移ψ=0。上述过程也可用数学公式表示：R1、C1的串联阻抗为111jωC1RZR2、C2的并联阻抗为22212222CjωR1RjωC1RjωC1RZ因此，该网络的传输系数为2221222212OFCjωR1RjωC1R1CjωR1RZZZVVF第11页22111221CωR1CωRjCCRR11一般说来，为了调节方便，常取R1=R2=R，C1=C2=C，则上式可改写为ωRC1ωRCj31F当频率ω=ω0=RC1时，则有31F。此时，F为实数，即相移ψ=0，F为最大。由于RC串并联网络对不同频率的信号具有上述选频特性，因此，当它与放大器组成正反馈放大器时，就有可能使ω=1/RC的频率满足振幅和相位条件，从而得到单一频率的正弦振荡。如图3-4所示，T1、T2组成两级阻容耦合放大器。其频率特性很宽，可以把放大倍数A看成常数，每级放大器倒相180°，两级放大器共产生360°的相移，为同相放大。在ω=ω0=1/RC时，ψ=0，满足相位平衡条件。只要放大器总放大倍数A≥3，则AF≥1，即可满足振幅平衡条件。因此，在频率为ω0时满足振幅、相位条件而产生振荡，对于其他频率，由于RC网络相移不为零，且振幅传输系数很快下降，所以其他任何频率都不可第12页能形成振荡。在实际的RC桥式振荡电路中，由于两级放大器的放大量很大（远大于3），正反馈信号很强，使振荡幅度不断增长，直到增长到晶体管输出特性的非线性区域，放大倍数降低，振荡才能稳定。这样，振荡信号很强，一方面使波形失真严重，另一方面可能使晶体管过载。因此放大器需加入很深的负反馈，使放大倍数降为3左右。其电路如图3-4(a）所示。Rt、R6为负反馈支路，它与正反馈支路组成一个电桥，即为文氏电桥。如图3-4（b）所示，四个桥臂中AB和BC两个桥臂是由正反馈选频网络构成。另外两个桥臂AD和DC则是由放大器负反馈网络Rt和R6构成。电桥的两个端点A、C接到放大器的输出端，引回输出电压Vo，电桥的另外两个端点B、D接到放大器输入级T1的基极和发射极，以供给放大器的输入信号Vi。这种振荡器又称为文氏电桥振荡器。第13页反馈电阻Rt是具有负温度系数的热敏电阻，可以自动稳定振荡幅度。当振荡输出电压幅度增大时，通过Rt电流加大，引起Rt温度升高，Rt阻值减小，使负反馈增强，振荡器输出电压幅度的增大受到抑制。此外，振荡器开始起振时，热敏电阻Rt的阻值较大，负反馈较弱，整个振荡器也比较容易起振。这样，不再利用晶体管的非线性特性来限制振幅，使放大器可以工作在线性区，从而减少了振荡器的波形失真。文氏电桥振荡器的优点是