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如何設計簡易訊號發生器?

2020-06-02科學

寫在前面:本文根據【模擬電子技術簡明教程】第三版的原理電路所制作而成的簡易訊號發生器,算是對書上內容的總結實踐,完成方法不唯一。(本人處於正在學習階段,如有錯誤,歡迎指正)

目前實驗原理寫的較為簡單,以後有空時再補上。

一、設計目的

1.完成簡易訊號發生器的制作,能夠產生正弦波,方波,三角波

2.可以改變各種波形的頻率,可以設定正弦波的振幅。(請參照原理部份)

3.另外的細節在原理裏面解釋

二、設計思路

三個模組,各自將正弦波、方波、三角波完成後的電路透過多個開關控制,接入示波器。

三、實驗原理

1.正弦波發生電路

我這裏采用的是文氏電橋振蕩電路,電路原理圖如下

文氏電橋振蕩電路

(1) 電路的振蕩頻率是f_{0}=\frac{1}{2\pi RC} ,可以看出振蕩頻率和RC的值有關,如果想要改變頻率,就需要對RC的值進行設定。

(2) 起振條件: R_{F}>2R^{'} ,具體仿真時可以透過調節 R_{F} 的值來使電路振蕩。

其他關於電路的要求就不過多贅述,大家有需要可以自行百度。

(3) 在Multisim14裏面的仿真電路圖(741運算放大器的vcc和vee一般是采用±15v,我這裏雖然用了±5v,問題應該也不大,仿真是沒問題的,只是將正弦波幅值控制在10v之內。如果有問題可以換回15v試一試。但是實物就不知道行不行了。。。下文的仿真電路同理。)

正弦波發生電路

開始執行後慢慢調節可調電阻,我這裏設定0.1%每按一次,電路起振需要時間,具體仿真時可以先調多一點 R_{5} 的值,讓它快速起振,這個時候波形會有一點失真,再將 R_{5} 的值調小一點,但一定要滿足起振條件。根據原理,你可以設計自己需要的頻率,改變RC值,要註意 C_{1}=C_{2},R_{6}=R_{7} (具體原理可以百度)

仿真結果:

正弦波仿真結果

補充部份:正弦波振幅值的控制(簡單來說就是調整幅值)

上圖的原理電路我們可以透過對電阻的調節實作頻率的變化,接下來我們用一個比例放大電路來控制輸出振幅。

比例放大電路的原理圖

輸出電壓:u_{o}=\frac{R_{2}}{R_{1}}u_{i}

Multisim14仿真圖:

帶有比例放大器的正弦波發生電路

在圖中,我們可以看到,前一級的vpp為8.22v,這個8.22v是前一級輸出正弦波峰峰值,其實只要電路起振,這個不隨外部電路的變化而改變,基本可以為定值。這句話的意思是,R5是來調節起振條件的,只要電路起振後,怎麽調節R5,波形會發生失真,但振幅基本維持在8.22v左右,這應該和運算放大器的自身結構有關。具體的我也不太了解,如果有知道的同學,希望在評論區留下你的看法,先謝為敬!

後一級就是一個比例放大器,前一級的峰峰值我測出來了,搞一個822歐和一個100歐的電阻,比一下,剛好出來是1v。這只是理論仿真結果,具體實物的可以搞一個可調電阻慢慢調比例,可以減小誤差,提高精準度。

仿真結果對比:

前一級和後一級波形對比

2.方波發生電路

矩形波發生電路

(1)電路組成:整合運放和電阻 R_{1} , R_{2} 組成滯回比較器,電阻R和電容C構成充放電回路,穩壓管 VD_{Z} 和電阻 R_{3} 的作用是鉗位,將滯回比較器的輸出電壓限制在穩壓管的穩定電壓值 \pm U_{Z} 。

(2)工作原理:滯回比較器工作原理,電容充放電,一定條件下滯回比較器輸出端發生跳變(不再贅述,具體內容書上和百度都能找得到)

(3)振蕩周期: T=2RCln(1+\frac{2R_{1}}{R_{2}}) ,和前面一樣,要改變它的周期,改變這幾個值就可以完成。

(4)Multisim14 仿真電路圖

矩形波仿真電路

裏面的各個值都可以根據自己需要設定,元件的型號根據自己需要選擇,比如這個穩壓管,改變周期的方法有很多,不一定局限於圖中的可調電阻。

仿真結果

有點失真,但還在可控範圍內。根據原理,滯回比較器工作時,電容需要充放電,電容的大小決定了充放電的時間,如果對於這個波形不滿意,可以將電容調小,再次仿真。

(5)提高部份:如果電路要求占空比可調,那電路可以稍作修改。

題外話:占空比就是方波正值的部份的時間t1比上整個方波的周期。

可調占空比的方波發生電路

輸出波形的振蕩周期: T=T_{1}+T_{2}=(2R+R_{W})Cln(1+\frac{2R_{1}}{R_{2}})

矩形波的占空比: D=\frac{T_{1}}{T}=\frac{R+R_{W}^{''}}{2R+R_{W}}

當 R_{W} 位於50%的時候,占空比為1:1

3.三角波發生電路

三角波發生電路

眾所周知,矩形波積分後可得三角波,將滯回比較器和積分器連線起來就是三角波發生電路,上圖就是這麽完成的。

工作原理不再分析了

(1)輸出振幅: U_{om}=\frac{R_{1}}{R_{2}}U_{Z} ,透過改變這三個值,來調整三角波輸出振幅

(2)振蕩周期: T=\frac{4R_{1}R_{4}C}{R_{2}} ,透過改變這幾個值,來調整周期。

(3)仿真電路圖

三角波仿真電路圖

和前面一樣,改變參數值從而調整周期和振幅。

仿真結果

到這,三個模組的電路都完成了

下面我們將這三個模組合並,基本完成了要求

4.最終電路圖

謝謝各位,如果對你有用不妨點個贊同,碼字不易,還望喜歡。