正弦波发生电路_正弦波信号发生器电路图 - CSDN
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  • 波形信号发生器正弦波、三角波、方波、矩形波等这几种较为常见信号的发生装置。该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端,即可组成矩形波信号发生器。然后经过积分电路产生三角波,三角波...

    1、设计思路(示例)

    波形信号发生器正弦波、三角波、方波、矩形波等这几种较为常见信号的发生装置。该发生器通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到输入端,即可组成矩形波信号发生器。然后经过积分电路产生三角波,三角波通过低通滤波电路来实现正弦波的输出。其优点是制作成本低,电路简单,使用方便,频率和幅值可调,具有实际的应用价值。

    波形信号发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等)信号,频率范围可从几个微Hz到几十兆Hz函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途

    运算放大器:简称“运放”,是具有很高放大倍数的电路单元。实际电路中,通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。其输出信号可以是输入信号加、减或微分、积分等数学运算的结果。运放的种类繁多,广泛应用于电子行业当中

    积分电路(积分器):使输出信号与输入信号的时间积分值成比例的电路。最简单的积分电路由一个电阻R和一个电容C构成。若时间常数RC足够大,外加电压时,电容C上的电压只能慢慢上升。在t<<RC的时间范围内,电容C两端电压很小,输入电压主要降落在电阻R上,充电电流i≈ui(t)/R,输出电压

    滤波电路:尽可能减小脉动的直流电压中的交流成分,保留其直流成分,使输出电压纹波系数降低,波形变得比较平滑。

     

    2、设计方案

    1.由滞回比较器和积分器构成方波三角波产生电路。

    2.然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。

    把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统,就构成三角波发 生器和方波发生器。比较器输出的方波经积分器可得到三角波、三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波-方波发生器。通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下使用。

    2.1 方波-三角波发生电路原理

    该电路由滞回比较器和积分器组成,如下图所示:

    电路由集成运放与R1、R2及一个滞回比较器和一个充放电回路组成。稳压管和 R3 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。滞回比较器的输出只有两种可能状态:高电平或低电平。滞回比较器的两种不同的输出电平使RC电路进行充电或放电,于是电容上的电压将升高或降低,而电容上的电压又作为滞回比较器的输入电压,控制其输出端状态发生跳变,从而使 RC 电路由充电过程变为放电过程或相反。如此循环往复,周而复始,最后在滞回比较器的输出端即可得到一个高低电平周期性交替的矩形波即方波 。

    滞回比较器输出的方波经积分器可得到三角波、三角波又触发比较器自动翻转形成方波,便构成了方波-三角波发生器。

    2.2 滤波电路的选择

    滤波电路分为有源滤波与无源滤波,也可分RC滤波电路、LC滤波电路等。

    2.2.1 RC滤波与LC滤波

    1, RC滤波器相对于LC滤波器来说,更容易小型化或者集成,LC相对体积就大多了;

    2, RC用在低频电路中,LC滤波器应用的频率范围为1kHz~1.5GHz.一般用在高频电路中,由于受限于其中电感的Q值,频率响应的截至区不够陡峭。

    3, RC滤波中的电阻要消耗一部分直流电压,R不能取得很大,用在电流小要求不高的电路中。RC体积小,成本低,滤波效果不如LC电路;LC滤波主要优点是高频环境下滤波效果好,缺点是体积大、笨重、成本高。用在要求高的电源电路中。

    2.2.2 无源滤波与有源滤波

    无源滤波电路:若滤波电路仅由无源元件(电阻、电容、电感)组成。由于电阻以及电感的阻抗存在,功耗在同等情况下还是比有源滤波器要高一些,而且电路的延迟要要大一些。如图3.2.3-1,为简单的RC无源滤波器。

    有源滤波电路:若滤波电路不仅由无源元件,还由有源元件(双极型管、单极型管、集成运放)组成。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高,输出电阻小,构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。有源滤波器的功耗相对而言会小很多,而且在通带内不会有衰减,而通过设定滤波器的Q值,可以改变放大倍数。如下图,为简单的一阶RC有源滤波器:

    RC滤波器一般常与运算放大器组合使用,构成有源滤波器,多作为低频信号的滤波。

    2.2.3 滤波阶数的选择

    滤波级数越多效果也好,但是带来的是损耗和成本越高,所以不建议超过3级;

    综合以上所述并权衡各个因素,鉴于本设计只需要将高于某频率的谐波滤去,因而选择低通滤波电路,在多次仿真实验之后,决定选择三阶RC压控电压源有源低通滤波器,且电阻的值应尽量减小,以减少直流电压的损耗。采用三阶低通滤波的正弦波发生电路图,如下图:

    2.3 主要元件的选择

    ①选择集成运算放大器:

    其一,方波前后沿与用作开关的器件 U1A 的转换速率 SR 有关,因此当输出方波的重复频率较高时,集成运算放大器 A1 应选用高速运算放大器。集成运算放大器 U2B 的选择:积分运算电路的积分误差除了与积分电容的质量有关外,主要是集成放大器参数非理想所致。

    其二,为减小积分误差,应选用输入失调参数小、开环增益高、输入电阻高,开环带较宽的运算放大器。反相比例运算放大器要求放大不失真。因而选择信噪比低,转换速率 SR 高的运算放大器。经过芯片资料的查询,TL082 双运算放大转换速率 SR=14V/us。符合各项指标要求。

    ②选择稳压二极管稳压二极管Dz的作用是限制和确定方波的幅度,因此要根据设计所要求的方波幅度来选稳压管电压Dz。为输出对称的方波,通常应选用高精度的双向稳压管。

    ③电阻为 1/4W的金属薄膜电阻,电位器为精密电位器。 ④电容为普通瓷片电容与电解电容。

     

    2.4 电路设计及仿真

    波形发生器电路设计总电路图:

    2.4.1 方波-三角波实现电路

    2.4.2 正弦波发生电路

    2.4.3 占空比可调电路

     

     

    3、打板测试

    在做好以上准备后就可以画PCD以及打板了(如果觉得麻烦也可以使用洞洞板直接连接元器件)。利用以上方案做出来的波形发生器,经过试验能够正确显示需要的波形。

     

    4、元件清单

    名称

    型号

    数量

    作用

    变压器

    12Vx2

    1

    降压

    三端可调正稳压器

    LM317

    1

    可编程的电源输出

    二极管

    IN4007

    6

    保护电路/稳压

    电阻/RES

    R1/500Ω

    2

    调节电流电压

    电位器

    POT-LOG/5kΩ

    1

    调节电阻

     

    电容

    CAP/75nf

    1

     

    充放电/滤波

    CAP ELCE/2.2mf

    1

    CAP ELCE/100uf

    1

    CAP ELCE/2.2uf

    1

     

     

     

     

     

     

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  • 波形发生电路

    千次阅读 2013-10-23 16:23:13
    内容提要: 正弦波和非正弦波发生电路常常作为信号源被广泛地应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。本章首先从产生正弦波振荡的条件出发,讨论正弦波振荡电路的基本组成部分和一般分析方法,然后介绍几...
    内容提要: 正弦波和非正弦波发生电路常常作为信号源被广泛地应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。
    本章首先从产生正弦波振荡的条件出发,讨论正弦波振荡电路的基本组成部分和一般分析方法,然后介绍几种典型的RC振荡电路和LC振荡电路。在讨论这两种正弦波振荡电路的工作原理时,首先分别论述RC选频网络和LC谐振回路的频率特性,然后根据正弦波振荡的幅度平衡条件和相位平衡条件,求出各种振落电路的振荡频率和起振条件。是后,对各种RC振荡电路以及各种LC振荡电路的特点进行了比较。
    本章还扼要地介绍可由石英晶体组成的正弦波振荡电路的工作原理和特点。
     
    学习要求: 
    ①掌握产生正弦波振荡的相位平衡条件和幅度平衡条件。
    ②掌握文氏电桥式RC振荡电路的工作原理、振荡频率、起振条件以及电路的特点。 
    ③了解其他RC振荡电路的工作原理。
    ④正确理解典型的LC振荡电路(变压器反馈式、电感三点式和电容三点式等)的工作原理及振荡频率的估算方法。I
    ⑤正确理解各种非正弦波发生电路(矩形波、三角波和锯齿波)的工作原理。 
    ⑥了解石英晶体振荡电路的特点及工作原理。
     正弦波振荡电路的分析方法
     正弦波振荡电路也是一种基本的模拟电子电路。电子技术实验中经常使用的低频信号发生器就是一种正弦波振荡电路。大功率的振荡电路还可以直接为工业生产提供能源,例如高频加热炉的高频电源。此外,诸如超声波探伤、无线电和广播电视信号的发送和接收等等,都离不开正弦波振荡电路。总之,正弦波振荡电路在量测、自动控制、通信和热处理等各种技术领域中,都有着广泛的应用。 正弦波振荡电路的组成和分析步骤
    一般来说,正弦波振荡电路应该具有放大电路和反馈网络,此外,电路中还应包含有选频网络和稳幅环节(例如非线性元件),前者是为了获得单一频率的正弦波振荡,后者是为了达到稳幅振荡。
    正弦波振荡电路的选频网络若由电阻和电容元件组成,通常称为RC正弦波振荡电路;若由电感和电容元件组成,则称为LC正弦波振荡电路。一般可以采用以下步骤来分析振荡电路的工作原理:
    一、判断能否产生正弦波振荡
    l、检查电路是否具备正弦波振荡的组成部分,即是否具有放大电路、反馈网络、选频网络和稳幅环节。
    2、检查放大电路的静态工作点是否能保证放大电路正常工作。 
    3、分析电路是否满足自激振荡条件。首先检查相位平衡条件,至于幅度条件,一般比较容易满足。若不满足幅度条件,在测试调整时,可以改变放大电路的放大倍数|A|或反馈系数|F|使电路满足|AF| >1的幅度条件。
    判断相位平衡条件的方法是:假设断开反馈信号至放大电路的输入端点,并把放大电路的输入阻抗作为反馈网络的负载。在放大电路的断开端点处加信号电压Ui,经放大电路和反馈网络得反馈电压Uf。根据放大电路和反馈网络的相频特性,分析Uf和Ui的相位关系。如果在某一特定频率下相位差为士2nл(n=0,1,2,…),则电路满足相位平衡条件。
    二、估算振荡频牢和起振条件
    振荡频率由相位平衡条件所决定,而起振条件可由幅度平衡条件|AF|>l的关系式求得。为了计算振荡频率,需要画出断开反馈信号至放大电路的输入端点后的交流等效电路,写出回路增益AF的表示式。令 即可求得满足该条件的频率fo,此fo即为振荡频率;然后令f=fo时的|AF|值大于l,即得起振条件。下面结合具体电路进行分析。
     RC正弦波振荡电路
     8.2.1 串并联网络振荡电铬 RC串并联网络振荡电路用以产生低频正弦波信号,是一种使用十分广泛的RC振荡电路。

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    振荡电路的原理图如上图所示。其中集成运放A作为放大电路,它的选频网络是一个由R、C元件组成的串并联网络,RF和R’支路引入一个负反馈。由图可见,串并联网络中的R1、C1和R2、C2以及负反馈支路中的RF和R’正好组成一个电桥的四个臂,因此这种电路又称为文氏电桥振荡电路。 一、RC串并联网络的选频特性
    当f=fo=1/2 RC时,Uf的幅值达到最大,等于U幅值的1/3,同时Uf与U同相。
    二、振荡频率与起振条件
    1、振荡频率
    为了满足振荡的相位平衡条件,要求 ΨA+ΨF=±2nπ。以上分析说明当f=fo时,串并联网络的ΨF=0,如果在此频率下能使放大电路的ΨA=±2nπ,即放大电路的输出电压与输入电压同相,即可达到相位平衡条件。在图8.2.l的RC串并联网络振荡电路原理图中,放大部分是集成运放,采用同相输入方式,则在中频范围内 ΨA近似等于零。因此,电路在fo时ΨA+ΨF=0,而对于其他任何频率,则不满足振荡的相位平衡条件,所以电路的振荡频率为

    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼       (8.2.4) 2、起振条件
    已经知道当f=fo时,|F|=1/3。为了满足振荡的幅度平衡条件,必须使|AF|>1,由此可以求得振荡电路的起振条件为
    |A| > 3 (8.2.5)
    因同相比例运算电路的电压放大倍数为

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    为了使|A|=Auf>3,图8.2.1所示振荡电路中负反馈支路的参数应满足以下关系: RF > 2R’ (8.2.6)
    三、振荡电路中的负反馈
    根据以上分析可知,RC串并联网络振荡电路中,只要达到|A|>3,即可满足产生正弦波振荡的起振条件。如果|A|的值过大,由于振荡偏度超出放大电路的线性放大范围而进入非线性区,输出波形将产生明显的失真。另外,放大电路的放大倍数因受环境温度及元件老化等因素影响,也要发生波动。以上情况都将直接影响振荡电路输出波形的质量,因此,通常都在放大电路中引入负反馈以改善振荡波形。在图8.2.1所示的RC串并联网络振荡电路中,电阻RF和R’引入了一个电压串联负反馈,它的作用不仅可以挺高放大倍数的稳定性,改善振荡电路的输出波形,而且能够进一步提高放大电路的输入电阻,降低输出电阻,从而减小了放大电路对RC串并联网络选频特性的影响,提高了振荡电路的带负载能力。
    改变电阻RF和R’阻值的大小可以调节负反馈的深度。RF愈小,则负反馈系数F=R’/ RF+R’愈大,负反馈深度愈深,放大电路的电压放大倍数愈小;反之,RF愈大,则负反馈系数F愈小,即负反馈愈弱,电压放大倍数愈大。如电压放大倍数太小,不能满足|A|>3条件,则振荡电路不能起振;如电压放大倍数不大,则可能输出幅度太大,使振荡波形产生明显的非线性失真,应调整RF和R’的阻值,使振荡电路产生比较稳定而失真较小的正弦波信号。
    四、振荡频率的调节
    只要改变电阻R或电容C的值,即可调节振荡频率。例如,在RC串并联网络中,利用波段开关换接不同容量的电容对振荡频率进行粗调,利用同轴电位器对振荡频率进行细调。采用这种办法可以很方便地在--个比较宽广的范围内对振荡频率进行连续调节。
     
    8.2.2 其他形式的RC振荡电路
    除了文氏电桥振荡电路以外,其他常用的RC振荡电路有移相式振荡电路等等。

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    移相式振荡电路由一个反相输入比例电路和三节RC移相电路组成,如上图所示。 由于集成运放采用反相输入方式,故放大电路的相位移 =180°。如反馈网络再移相180°,此电路即可满足产生正弦波振荡的相位平衡条件。
    已知一节RC电路的移相范围为0一90°,不可能满足振荡的相位条件。两节RC电路的移相范围为0一180°,但在接近180°时,输出电压已接近于零,无法同时满足振荡的幅度平衡条件和相位平衡条件。三节RC电路的移相范圈为0~270°,存在--个频率fo,其相 =180°,此时电路满足振荡的相位平衡条件。
    由以上分析可知,在移相式振荡电路中,至少要用三节RC电路(RC超前移相电路或RC滞后移相电路均可)才能满足振荡的相位平衡条件。在上图中,采用三节RC超前移相电路,它的第三节RC电路由C3和放大电路的输入电阻组成。
    在上图所示的移相式振荡电路中,通常选C1=C2=C3=C,R1=R2=R。此时,根据振荡的相位平衡条件和幅度平衡条件,可求得电路的振荡频率为

    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼 (8.2.7) 起振条件为
    RF > 12R (8.2.8)
    RC移相式振荡电路具有结构简单、经济等优点。缺点是选频作用较差,频率调节不方便,输出幅度不够稳定,输出波形较差。一般用于振荡频率固定且稳定性要求不高的场合,其频率范围为几赫到几十千赫。
     
     LC正弦波振荡电路
     8.3.1 LC并联电路的特性 不同Q值时,LC并联电路的幅频特性和相频特性,如下图所示。

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    1)LC并联电路具有选频特性,在谐振顽率fo处,电路为纯电阻性。当f<fo时,呈电感性;f>fo时,呈电容性。且当频率从fo上升或下降时,等效阻抗|Z|都将减小。 2)谐振频率fo的数值与电路参数有关,当Q》l时,fo ≈ 1/2 LC 。
    3) 电路的品质因数Q =woL/R值愈大,则幅频特性愈尖锐,即选频特性愈好。同时,谐振时的阻抗值Zo也愈大。
    下面再来分析并联谐振时,LC回路中的电流情况。
    在谐振时,电容中电流的幅值为

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    而LC并联回路的输入电流为

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    当Q》1时,可得 |Ic|>>|I|, |IL|>>|I|, |Ic|≈|IL|
    此时在LC谐振回路中,电容支路的电流与电感支路的电流,其幅值近似相等,谐振回路的输入电流极小,即谐振回路的外界影响可以忽略。这个结论对分析LC振荡电路也是极为有用的。

    8.3.2 电感三点式振荡电路
    一、电路的组成

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    在实际工作中,为避免确定变压器同名端的麻烦,他为了绕制线圈的方便,采取了自耦形式的接法,如上图所示。由于电感L1和L2引出三个端点,所以通常称为电感三点式振荡电路。图中LC并联电路的下端3通过耦合电容Cb接三极管的基极b,中间抽头2接至电源Vcc,在交流通路中2端接地,所以电感L2上的电压就是送回到三极管基极回路的反馈电压Uf。 假设在a点处将电路断开,并加上输入信号Ui。 由于谐振时LC并联回路的阻抗为纯阻性,因此集电极电压Uc与Ui反相,即ΨA =180°。而L2上的反馈电压Uf与Uc也反相,即ΨF =l80°,所以电路满足相位平衡条件。
    二、振荡频率和起振条件
    如前所述,当谐振回路的Q值很高时,振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率,即

    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼      (8.3.9) 式中L为回路的总电感,即
    L = L1 + L2 + 2M
    其中M为线圈L1与L2之间的互感。
    根据幅度平衡条件可以证明,起振条件为


    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼          (8.3.10) 式中R’为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。
    电感三点式振荡电路的特点是:
    1、由于线圈L1和L2之间耦合很紧,因此比较容易起振。改变电感抽头的位置,即改变L2/L1的比值,可以获得满意的正弦波输出,且振荡幅度较大。根据经验,通常可以选择反馈线圈L2的圈数为整个线圈的1/8到1/4。具体的圈数比应该通过实验调整来确定。
    2、调节频率方便。采用可变电容,可获得一个较宽的频率调节范围。
    3、一般用于产生几十兆赫以下的频率。
    4、由于反馈电压取自电感L2而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将高次谐波短路掉。因输出波形中含有较大的高次谐波,故波形较差。
    5、由于电感三点式振荡电路的输出波形较差,且频率稳定度不高,因此通常用于要求不高的设备中,例如高频加热器、接收机的本机振荡等。

    8.3.4 电容三点式振荡电路
    为了获得良好的正弦波,可将图8.3.4中的电感L1、L2改用对高次谐波呈现低阻抗的电容C1、C2,同时将原来的电容C改为电感L,以达到谐振的效果,这就是电容三点式振荡电路。为了构成放大管输出回路的直流通路,在电路中加了集电极负载Rc。如下图所

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    在上图中,由于3端通过耦合电容Cb接三极管的基极b,而2端接地,所以电容C2两端的电压就是反馈电压Uf。 假设将电路从a点姓断开,则读者不难分析当LC回路谐振时,uf与Ui同相,电路满足相位平衡条件。同理,振荡频率基本上等于LC回路的谐振频率, 即

    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼          (8.3.11) 根据幅度平衡条件,可以证明起振条件为

    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼              (8.3.12) 式中R’为折合到管子集电极和发射极间的等效并联总损耗电阻。
    电容三点式振荡电路的特点是:
    1)由于反馈电压取自电容C2电容对于高次谐波阻抗很小,于是反馈电压中的谐波分量很小,所以输出波形较好。
    2)因为电容C1、C2的容量可以选得较小,并将放大管的极间电容也计算到C1、C2中去,因此振荡频率较高,-般可识达到100MHz以上。
    3)调节C1或C2可以改变振荡频率,但同时会影响起振条件,因此这种电路适于产生固定频率的振荡。如果要改变频率,可在L两端并联一个可变电容,如后面表8-2中所示。由于固定电容C1、C2的影响,频率的调节范围比较窄。另外也可以采用可调电感来改变频率。通常选择两个电容之比为C1/C2≤l,可通过实验调整来最后确定电容的比值。
     石英晶体振荡器
     一、基本特性 若在石英晶片的两极加上一个电场,品片将会产生机械变形。相反,若在晶片上施加机械压力,则在晶片相应的方向上会产生一定的电场,这种物理现象称为压电效应。因此,当在晶片的两极加上交变电压时,晶片将会产生机械变形振动,同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶片的机械振动的振幅和交变电场的振幅都非常微小,只有在外加交变电压的频率为某一特定频率时,振幅才会突然增加,比一般情况下的振幅要大得多,这种现象称为压电谐振。这和LC回路的谐振现象十分相似,因化,石英晶体又称为石英谐振器。上述特定顽率称为晶体的固有频率或谐振频率。
    二、等效电路

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    石英谐振器的符号和等效电路如上图所示。当晶体不振动时,可以看成是一个平板电容器Co,称为静电电容。Co与晶片的几何尺寸和电极面积有关,一般约为几个皮法到几十皮法。当晶体振动时,有一个机械振动的惯性,用电感L来等效,一般L值为l0-3~1O-2H。晶片的弹性一般以电容C来等效,C值为l0-2~10-1pF。L、C的具体数值与晶体的切割方式,晶片和电极的尺寸、形状等有关。晶片振动时,因摩擦而造成的损耗则用电阻R来等效,它的数值约为lO2 。由于晶片的等效电感L很大,而等效电容C很小,电阻R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达104~106,再加上晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关,所以很稳定,而且可做得很精确。因此,利用石英谐振器组成振荡电路,可获得很高的频率稳定性。 从石英谐振器的等效电路可知,这个电路有两个谐振频率,当L、C、R支路串联谐振时,等效电路的阻抗最小(等于R),串联谐振频率为

    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼         (8.4.1) 当等效电路并联谐振时,并联谐振频率为

    波形发生电路 - 少占鱼-网易 - 少占鱼   (8.4.2) 由于C<<Co,因此fs和fp两个频率非常接近。 
    非正弦波发生电路
     8.5.1 三角波发生电路 常用的非正弦波发生电路有矩形波发生电路、三角波发生电路以及锯齿波发生电路等等,它们常常用于脉冲和数字系统中作为信号源。
    三角波发生电路
    一、电路组成

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    上图所示为一个三角波发生电路。图中集成运放A1组成滞回比较器,A2组成积分电路。滞回比较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端,而积分电路输出的三角波又接到滞回比较器的同相输入端,控制滞回比较器输出端的状态发生跳变,从而在A2的输出端得到周期性的三角波。 二、工作原理
    假设,t=0时滞回比较器输出端为高电平,即u01=+UZ,而且假设积分电容上的初始电压为零。由于A1同相输入端的电压u+同时与u01。和a0有关,根据叠加原理,可得

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    则此时u+也为高电平。但当u01=+UZ时,积分电路的输出电压u+将随着时间往负方向线性增长, u+随之减小,当减小至u+= u-=0时,滞回比较器的输出端将发生跳变,使u01=-UZ,同时u+将跳变成为一个负值。以后,积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长,u+也随之增大,当增大至u+= u-=0时,滞回比较器的输出端再次发生跳变,便u01=+UZ,同时u+也跳变成为一个正值。然后重复以上过程,于是可得滞回比较器的输出电压u01为矩形波,而积分电路的输出电压u0为三角波,波形如下图所示。 

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    8.5.2锅齿波发生电路 在示波器的扫描电路以及数字电压表等电路中,常常需要使用锯齿波信号。
    从以上的分析中可以看出,如果在三角波发生电路中,有意识地使积分电容充电和放电的时间常数相差悬殊,则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号。
    一、电路组成

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    在三角波发生电路的基础上,用二极管VD1、VD2和电位器RW代替原来的积分电阻,使积分电容的充电和放电回路分开,即成为锯齿波发生电路,如上图所示。 假设调节电位器Rw滑动端的位置,使,则电容充电的时间常数将比放电时间常数小得多,于是充电过程很快,而放电过程很慢,此时积分电路的输出波形u0如下图所示。由图可见,T1< <T2,u0成为锯齿波。

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  • 设计一个能产生正弦波、方波和三角波的信号发生器(不要使用集成信号发生器芯片),要求信号发生器任意时刻只有一种波形输出,且波形频率和幅度可调。 二、总体方案设计 分析题目要求,得出本设计可以分为六个模块:...

    一、综合设计实验题目和要求

    本实验主要内容为:
    设计一个能产生正弦波、方波和三角波的信号发生器(不要使用集成信号发生器芯片),要求信号发生器任意时刻只有一种波形输出,且波形频率和幅度可调。

    二、总体方案设计

    分析题目要求,得出本设计可以分为六个模块:

    第一部分:实现正弦波信号发生器,可利用文氏电桥振荡电路;

    第二部分:实现方波信号发生器,使用迟滞比较器、RC积分电路,正反馈组成的网络;

    第三部分:实现三角波信号发生器,将方波信号发生器的RC积分电路替代为积分运算电路作为延时环节,可以得到按线性规律变换的三角波;同时为满足正反馈,将积分电路的输出接到迟滞比较器的同相输入端;

    第四部分:实现输出信号的调幅功能,有两种方案,一是用利用滑动变阻器的分压,二是使用变压器。由于滑动变阻器有最大输出幅度,尽管方便调节,但不一定能够符合实际需求,因此选择使用变压器;

    第五部分:实现输出信号的调频功能,分析原理可以得出,三个信号发生电路的输出信号频率均与时间常数RC有关,因此可以固定三个信号发生电路输出频率公式中除RC以外的部分相同,就可以使用单一键来控制三个信号的输出频率

    第六部分:实现单一时刻只有一种信号输出,使用单刀四掷开关,分别对应无输出、正弦波输出、方波输出、三角波输出

    三、详细设计

    1、系统原理图

    在这里插入图片描述

    图一:整机电路图
    注:A用于调节频率,幅度需要手动通过调节变压器匝数比调节

    2、设计说明

    下面是各个模块的具体设计

    2.1正弦波发生器

    在这里插入图片描述

    图2:正弦波信号发生器

    采用文氏电桥电路
    其中R11=R13为可变电阻用于调频,C3=C4=0.1uF,R11,R13,C3,C4构成RC串并联选频网络,其选频特性为:

    起振条件为:
    Rf>=2R3

    2.2方波信号发生器

    在这里插入图片描述

    图3:方波信号发生器

    迟滞比较器用来实现高低电平两种状态,滑动变阻器和C实现时间延迟,R2使电路形成正反馈,谐振频率为:
    f=1/2RCln(1+2R1/R4)

    为使方波发生器输出的频率与正弦波一致,有:
    R1/R4=1.8
    取R4=10kΩ,则有R1=1.8kΩ

    2.3三角波发生器

    在这里插入图片描述

    图4:三角波信号发生器

    将方波信号发生器的RC积分电路替代为积分运算电路作为延时环节,可以得到按线性规律变换的三角波;同时为满足正反馈,将积分电路的输出接到迟滞比较器的同相输入端
    f=R3/4RCR2
    满足与前两个电路频率相等,可得:
    R3/R2=1/pi

    2.4输出模块

    在这里插入图片描述

    图5:输出模块电路

    由单刀四掷开关和变压器组成,单刀四掷开关用来切换输出波形,变压器用于调节输出信号的幅度

    四、实验结果和分析

    1、 仿真调试结果

    1.1正弦波输出

    在这里插入图片描述

    图6:正弦波信号输出波形

    1.2方波信号输出

    在这里插入图片描述

    图7:方波信号输出波形

    1.3三角波信号输出

    在这里插入图片描述

    图8:三角波信号输出波形

    2、结果分析

    初始参数得到的输出信号T=6.338ms
    观察波形可得,通过键A调节可变电阻可以调节输出信号的频率,且三种输出波形的频率调节是同步的,即切换开关不会改变输出信号的频率。通过手动调节变压器的匝数比来改变输出电压

    误差分析:
    RC振荡电路稳定需要一定的时间,需要等电路稳定时再观察波形

    五、总结和建议

    该设计电路还有很大的提升空间,例如:如何快捷地改变变压器的匝数比使调节输出振幅更加方便,如何通过调节各个电路的参数使得输出的振幅也能够保持一致,由于时间关系不再继续深入。

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  • 正弦运算电路

    千次阅读 2018-11-28 14:13:32
    这个电路的意思不是说DDS正弦信号发生器。而是说,当输入一个信号x时,输出信号y=sin⁡(x),也就是说,输入信号x=π/2 V时,输出y=1V,输入信号x=πV时,输出信号y=0V。找了很久后发现ADI的芯片AD639就能实现这样的...

    在很久之前,我在寻找一个能够进行正弦信号的电路。这个电路的意思不是说DDS正弦信号发生器。而是说,当输入一个信号x时,输出信号y=sin⁡(x),也就是说,输入信号x=π/2 V时,输出y=1V,输入信号x=πV时,输出信号y=0V。找了很久后发现ADI的芯片AD639就能实现这样的功能,而且精度很高(0.02%)。AD639可以进行正弦、余弦、正切运算,带宽1.5MHz,可正负18V供电,这对于一般的信号处理已经足够。

     

    在AD639——被遗忘的电路中,提到了AD639的一些历史:

    AD639 正弦转换器

    很久以前,Barrie Gilbert在2-BJT差分放大电路做调查时发现,改电路具有双曲正切的传递函数。

    其中的I0是发射极源电流,VT>>26mV是热电压。为了降低非线性,外部发射极电阻RE与放大器中的发射极串联,然而,Gilbert应用了工程上的一句话:“如果你不能修复它,那就是它的特征(If you can’t fix it, feature it)。”并且很好地利用它。双曲正切和三角函数是模糊相关的,Exar的Alan Grebene在XR2206函数发生器芯片中使用单个差分放大器将三角波转换为了正弦波。

    尽管Gilbert对基本思想进行了更多改进,但结果在第一代努力中仍然可以接受。它发展了增加差分输出和每一个固定的电压作为输入偏置的多tanh概念,这扩展了它的功能(输入范围)而且还带来了其他的新颖性,包括这用于AD639正弦转换器。

    该三角运算芯片奇特之处在于他是16引脚的,由于它功能强大,它注定要变为遗留下来的芯片。唉,ADI将AD639从市场上撤下来而且没有替代品。甚至Barrie Gilbert都不知道为什么。它似乎注定要成为一个传奇。它可以合成所有基本的三角函数(sin, cos, tan, sec, csc, cot)以及反三角函数(arcsin, arccos, arctan)等。

    正弦函数精确到0.02%,优于大多数函数发生器,并且优于许多音频放大器的THD。在芯片中,这样的IC功能有2个,加上偏置电路、乘法器和分频器。它被赋予了一个利基市场的定价,而且这种芯片没有进入FG仪器和其他需要精确或低THD正弦波发生器。它的带宽是1.5MHz。

    也许位移的问题是AD639如此吸引人,所以ADI给他高价出售,这打破了它作为商品部分进入市场的传播。也许Rochester Electronics(罗切斯特电子公司)(后来的领先供应商)可能会重振它,并从它注定要拥有的小财富中获得收益。没有理由将罗切斯特电子公司的任务局限于过时设备的替换零件供应商的任务,因为它们也可以被认为是第一次没有捕获的新设计的伟大部件的命运的履行者。

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