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如何设计简易信号发生器?

2020-06-02科学

写在前面:本文根据【模拟电子技术简明教程】第三版的原理电路所制作而成的简易信号发生器,算是对书上内容的总结实践,完成方法不唯一。(本人处于正在学习阶段,如有错误,欢迎指正)

目前实验原理写的较为简单,以后有空时再补上。

一、设计目的

1.完成简易信号发生器的制作,能够产生正弦波,方波,三角波

2.可以改变各种波形的频率,可以设置正弦波的幅度。(请参照原理部分)

3.另外的细节在原理里面解释

二、设计思路

三个模块,各自将正弦波、方波、三角波完成后的电路通过多个开关控制,接入示波器。

三、实验原理

1.正弦波发生电路

我这里采用的是文氏电桥振荡电路,电路原理图如下

文氏电桥振荡电路

(1) 电路的振荡频率是f_{0}=\frac{1}{2\pi RC} ,可以看出振荡频率和RC的值有关,如果想要改变频率,就需要对RC的值进行设置。

(2) 起振条件: R_{F}>2R^{'} ,具体仿真时可以通过调节 R_{F} 的值来使电路振荡。

其他关于电路的要求就不过多赘述,大家有需要可以自行百度。

(3) 在Multisim14里面的仿真电路图(741运算放大器的vcc和vee一般是采用±15v,我这里虽然用了±5v,问题应该也不大,仿真是没问题的,只是将正弦波幅值控制在10v之内。如果有问题可以换回15v试一试。但是实物就不知道行不行了。。。下文的仿真电路同理。)

正弦波发生电路

开始运行后慢慢调节可调电阻,我这里设置0.1%每按一次,电路起振需要时间,具体仿真时可以先调多一点 R_{5} 的值,让它快速起振,这个时候波形会有一点失真,再将 R_{5} 的值调小一点,但一定要满足起振条件。根据原理,你可以设计自己需要的频率,改变RC值,要注意 C_{1}=C_{2},R_{6}=R_{7} (具体原理可以百度)

仿真结果:

正弦波仿真结果

补充部分:正弦波幅度值的控制(简单来说就是调整幅值)

上图的原理电路我们可以通过对电阻的调节实现频率的变化,接下来我们用一个比例放大电路来控制输出幅度。

比例放大电路的原理图

输出电压:u_{o}=\frac{R_{2}}{R_{1}}u_{i}

Multisim14仿真图:

带有比例放大器的正弦波发生电路

在图中,我们可以看到,前一级的vpp为8.22v,这个8.22v是前一级输出正弦波峰峰值,其实只要电路起振,这个不随外部电路的变化而改变,基本可以为定值。这句话的意思是,R5是来调节起振条件的,只要电路起振后,怎么调节R5,波形会发生失真,但幅度基本维持在8.22v左右,这应该和运算放大器的自身结构有关。具体的我也不太了解,如果有知道的同学,希望在评论区留下你的看法,先谢为敬!

后一级就是一个比例放大器,前一级的峰峰值我测出来了,搞一个822欧和一个100欧的电阻,比一下,刚好出来是1v。这只是理论仿真结果,具体实物的可以搞一个可调电阻慢慢调比例,可以减小误差,提高精准度。

仿真结果对比:

前一级和后一级波形对比

2.方波发生电路

矩形波发生电路

(1)电路组成:集成运放和电阻 R_{1} , R_{2} 组成滞回比较器,电阻R和电容C构成充放电回路,稳压管 VD_{Z} 和电阻 R_{3} 的作用是钳位,将滞回比较器的输出电压限制在稳压管的稳定电压值 \pm U_{Z} 。

(2)工作原理:滞回比较器工作原理,电容充放电,一定条件下滞回比较器输出端发生跳变(不再赘述,具体内容书上和百度都能找得到)

(3)振荡周期: T=2RCln(1+\frac{2R_{1}}{R_{2}}) ,和前面一样,要改变它的周期,改变这几个值就可以完成。

(4)Multisim14 仿真电路图

矩形波仿真电路

里面的各个值都可以根据自己需要设置,元件的型号根据自己需要选择,比如这个稳压管,改变周期的方法有很多,不一定局限于图中的可调电阻。

仿真结果

有点失真,但还在可控范围内。根据原理,滞回比较器工作时,电容需要充放电,电容的大小决定了充放电的时间,如果对于这个波形不满意,可以将电容调小,再次仿真。

(5)提高部分:如果电路要求占空比可调,那电路可以稍作修改。

题外话:占空比就是方波正值的部分的时间t1比上整个方波的周期。

可调占空比的方波发生电路

输出波形的振荡周期: 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}}

当 R_{W} 位于50%的时候,占空比为1:1

3.三角波发生电路

三角波发生电路

众所周知,矩形波积分后可得三角波,将滞回比较器和积分器连接起来就是三角波发生电路,上图就是这么完成的。

工作原理不再分析了

(1)输出幅度: U_{om}=\frac{R_{1}}{R_{2}}U_{Z} ,通过改变这三个值,来调整三角波输出幅度

(2)振荡周期: T=\frac{4R_{1}R_{4}C}{R_{2}} ,通过改变这几个值,来调整周期。

(3)仿真电路图

三角波仿真电路图

和前面一样,改变参数值从而调整周期和幅度。

仿真结果

到这,三个模块的电路都完成了

下面我们将这三个模块合并,基本完成了要求

4.最终电路图

谢谢各位,如果对你有用不妨点个赞同,码字不易,还望喜欢。