1、本科毕业论文低频正弦信号发生器设计专 业： 电子信息科学与技术 指导教师： 学生姓名： 学生学号： 目 录摘 要 .IIAbstract .III第一章 绪论 .11.1 引言 .11.2 课题现状 .11.3 课题 的研究目的和意义 .2第二章 系统概述 .32.1 问题的提出及设计要求 .32.2 系统框图 .3第三章 单元 电路设计 与分析 .53.1 第一部分 信号发生电路及放大单元电路 .53.2 第二部分 频率 数字显示部分 .103.2.1 利 用数字频率计显示频率 .103.2.2 基本 原理 .103.3 第三部分 电压 幅度显示部分 .133.3.1 工作原 理及方案 .1
2、33.3.2 具体方案实现 .13第四章 结束语 .25参考文献： .26致 谢 .27低频正弦信号发生器摘 要正弦信号是各种电子设备仪器中常用的信号源。广泛地应用于电子工程，通信工程，自动控制，遥测控制，仪表和数学实验等技术领域，采用集成运放和分立元件相结合的方式，利用迟滞比较器电路产生方波信号以及充分利用等分电路进行电路转换，从而设计出一个能变换出三角波、正弦波、方波的低频正弦信号发生器，而对其频率和幅值的显示要用到现在非常广泛使用的数字技术。对于一个良好的正弦信号源要求其输出信号的频率稳定，幅值稳定，非线性失真小，带负载能力强，且频率和幅度的调节方便，功耗较低。对于显示部分，要求要有一定
3、的分辨率，以满足在电子应用中不同场合的需求。通过对电路分析，确定了元器件的参数，并利用软件仿真出理想的电路输出结果。然而要兼顾这些要求时往往使电路变得复杂，或者成本较高。本设计具有线路简单，结构紧凑，价格低廉，性能优越等优点，可以帮组我们克服一些实际的困难。关键字：数字正弦信号；频率显示；幅度显示；A/D 转换The Low-Frequency Sinusoidal Signal GeneratorAbstractSinusoidal signal is commonly used in a variety of electronic equipment and instrument sign
4、al sources. Widely used in electronic engineering communications engineering automatic control.remote control instrumentation and other technical areas of mathematical experiment. Integrated operational amplifier and using a combination of discrete components，using hysteresis comparator circuit prod
5、uces a square wave signal and make full use attainment circuit circuit switching，which can change the design of a triangular wave sine wave square wave of low-frequency sinusoidal signal Devices and their frequency and amplitude of the display to use the now very widely used digital technology. For
6、a good sinusoidal signal source requirements of its output signal frequency stability, amplitude stability，nonlinear distortion，with a load capacity and easy to adjust the frequency and amplitude low power consumption. For display part, required to have a certain resolution to meet the different occ
7、asions in the electronic application needs. Through the circuit analysis to determine the parameters of the components, and using software simulation of an ideal circuit output. However，to take into account these requirements tend to make the circuit more complicated or costly. This design has a sim
8、ple circuit， compact，low cost，superior performance. It can help set us to overcome some practical difficulties.Key words：Digital sine signal，Frequency display，Amplitude display，A / D conversion第一章 绪论1.1 引言在科学研究、工程教育及生产实践中,常常需要用到低频、高精度的正弦信号,而传统的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成,频率虽然可达百兆赫兹并在高频范围内其频率稳定性与可调性好,但在低频信号输出
9、时,其需要 RC 值很大,频率的稳定度和精度等指标都不高。随着电路系统的数字化发展,直接数字频率合成作为一种波形产生方法,具有相位连续、频率分辨率高、转换速度快、信号稳定等诸多优点,从而使得 DDS技术得到了广泛的应用。1.2 课题现状正弦信号是各种电子设备，仪器中常用的信号源。对其频率和幅值的显示要用到现在非常广泛使用的数字技术。对于一个良好的正弦信号源要求其输出信号的频率稳定，幅值稳定，非线性失真小，带负载能力强，且频率和幅度的调节方便，功耗较低。对于显示部分，要求要有一定的分辨率，以满足在电子应用中不同场合的需求。为了改善超低频正弦信号发生器对电容大容量、无极性的要求，介绍了一种基于电容
10、倍增原理的超低频正弦波振荡电路。利用电容倍增器的原理，选择电容接地的 RC移相选频网络，设计一个三节相位滞后式 RC 正弦波振荡器。通过硬件电路实验和仿真分析，此电路能够实现以无极性、小容量等高性能参数电容获得频率很低、幅值大的正弦信号输出。此振荡电路调节方便，输出稳定，可满足实验教学对超低频信号源的要求。目前由模拟电路构成的信号发生器当输出频率在几百到几千赫兹范围内，波形较好；但当它在低频甚至超低频使用时，输出波形不稳定，也不精确，应用范围十分有限。而超低频正弦信号发生器在生物医学、地球物理、控制仪表及系统测试和石油生产测井中都有广泛应用。这样的正弦信号发生器通常都是采用 RC 串、并联或移
11、相网络构成。由于要产生很低频率的正弦信号，往往需要非常大的电容，如 1000F 左右，在某些应用场合，产生超低频信号不但要求大容量电容，而且要求是无极性电容。用无源器件实现这种要求是很困难的，如果采用直接数字式频率合成(DDS)技术，外围电路很复杂，这时贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 2 页可采用电容倍增器来实现大容量或大容量无极性电容的要求 1。由于以上原因，他的应用越来越受到重视。研究它的人也越来越多。1.3 课题的研究目的和意义首先，设计一个正弦信号发生器，要求显示幅值和频率。其次，通过本课题的设计与制着，掌握硬件电路的设计制作方法，巩固所学相关知识，增强动手能力，学习已有的先
12、进电路设计理念，另外希望通过这一系列的研究，寻找出一些与众不同的设计思路，试着设计出一些具有自己思路的电子产品。正弦信号发生器能输出一个幅度可调、频率可调的正弦信号,特别是低频正弦信号发生器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。当这种模拟信号发生器用于低频信号输出时,往往需要的 RC 值很大,这样不但参数准确度难以保证,而且体积和功耗都很大。而由数字电路构成的低频信号发生器,虽然其低频性能好,但体积较大,价格较贵。而借助 DSP 芯片的运算速度高,系统集成度强的优势设计的这种信号发生器,比以前的任意一种信号发生器速度更快,且实现更加简便 2。正
13、弦信号发生器一般指能自动生成产生正弦波、方波、三角波电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由远放及分离元件构成；也可以单片集成函数发生器 3。因为随着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围数字模拟(D，A)转换器的出现和广泛应用，用数字控制方法从一个标准参考频率源产生多个频率信号的技术，即直接数字合成(DDS)异军突起。其主要优点有：频率转换快，DDS 频率转换时间短，一般在纳秒级；分辨率高，大多数 DDS 可提供的频率分辨率在 1 Hz 数量级，许多可达0001 Hz；频率合成范围宽；相位噪声低，信号纯度高；可控制相位，DDS 可方便地控制输出信号的相位，在频率变换时也能保持相位联系；生成的
14、正弦余弦信号正交特性好等。因此，利用 DDS 技术特别容易产生频率快速转换、分辨率高、相位可控的信号，这在电子测量、雷达系统、 调频通信、电子对抗等领域具有十分广泛的应用前景。 所以通过研究课题可以培养综合运用所学知识，独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文打下良好的基础，对今后的学习工作有着很重要的实际意义。贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 3 页第二章 系统概述2.1 问题的提出及设计要求设计一个正弦信号发生器，要求显示幅值和频率。要求： 信号频率范围 20HZ20kHZ。 输出信号电压幅度 5。 输出信号频率数字显示。 输出电压幅度数字显示。2.2 系统框图正弦信
15、号发生器的系统框图如图所式：图 2.1 正弦信号发生器系统框图1.基本思想 本设计由三部分组成：第一部分，基本信号产生及放大。采用具有具有二极管稳幅环节的文氏 RC 正弦波振荡电路调节，电路元件参数可使频率值在 20HZ20KHZ 之间变化。第二部分，频率测量。主要是先把信号变换成同频率的方波信号，设计数字计数电路并用数码管显示 1S 内计数个数即为频率值。第三部分，电压峰值测量。主要采用芯片 MC14433 完成测量过程。2.工作过程及工作原理：正弦波 发 生 电 路频率测量 频率显示幅值显示幅度测量贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 4 页信号由文氏桥式振荡电路产生，通过调节调频环节
16、的变阻器 Rp 可输出频率范围为20HZ-20KHZ 的正弦波。接入频率显示端的输出经整形、分频、锁存后，在终端数字显示频率。输出经过放大单元，调节此单元的变阻器使电压幅度达到 5V，经 A/D 转换后在显示端数字显示。传统的正弦信号发生器往往在低频率输出时其频率的稳定度和精度等指标都不高 4。贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 5 页第三章 单元电路设计与分析3.1 第一部分：信号发生电路及放大单元电路方案讨论与辨证：第一种方案：用芯片 ICL8038 产生。ICL8038 型精密函数发生器是美国英特西尔公司产品，国产型号为 5G8038。它属于单片集成电路，具有频率范围宽、频率稳定度
17、高、外围电路简单、易于制作等优点。它可产生 0.001Hz-300kHz 高质量的正弦波、矩形波（或者方波、窄脉冲） 、三角波（或锯齿波）等函数波形，很适宜装入万用表内部。ICL8038 是一个塑封双列直插式 14 脚芯片，是生成函数波形专用集成电路 5。此外，利用 ICL8038 还能实现 FM 调制、扫描输出。ICL8038 的内部原理图与管脚图分别见图3.1 和图 3.2：图 3.1 ICL8038 的内部原理图贵州大学科技学院本科毕业论文（设计） 第 6 页图 3.2 ICL8083 的外部管脚图引脚 1 表示正弦波线性调节；引脚 2 表示正弦波输出；引脚 3 表示三角波输出；引脚 4
18、 表示恒流源调节；引脚 5 表示恒流源调节；引脚 6 表示正电源；引脚 7 表示调频偏置电压；引脚 8 表示调频控制输入端；引脚 9 表示方波输出（集电极开路输出） ； 引脚 10 表示 外接电容；引脚 11 表示 负电源或接地；引脚 12 表示正弦波线性调节；引脚 13 和 14 表示空脚在图 3.1 中，电压比较器 C1、C 2的门限电压分别为 2VR/3 和 VR/3（ 其中VR=VCC+VEE），电流源 I1和 I2的大小可通过外接电阻调节，且 I2必须大于 I1。当触发器的 Q 端输出为低电平时，它控制开关 S 使电流源 I2断开。而电流源 I1则向外接电容C 充电，使电容两端电压
19、vC随时间线性上升，当 vC上升到 vC=2VR/3 时，比较器 C1输出发生跳变，使触发器输出 Q 端由低电平变为高电平，控制开关 S 使电流源 I2接通。由于 I2I1 ，因此电容 C 放电， vC随时间线性下降。当 vC下降到 vC VR/3 时，比较器C2输出发生跳变，使触发器输出端 Q 又由高电平变为低电平， I2再次断开， I1再次向C 充电， vC又随时间线性上升。如此周而复始，产生振荡。若 I2=2I1 ， vC上升时间与下降时间相等，就产生三角波输出到脚 3。而触发器输出的方波，经缓冲器输出到脚9。三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚 2 输出。当 I1I22I1 时， vC的上升时间与下降时间不相等，管脚 3 输出锯齿波。因此，8038 能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波等四种不同的波形。8038 的典型应用由图 3.2 可见，管脚 8 为调频电压控制输入端，管脚 7 输出调频偏置电压，其值（指管脚 6 与 7 之间的电压）是( VCC+VEE/5) ，它可作为管脚 8 的输入电压。此外，该器件的方波输出端为集电极开路形式，一般需在正电源与 9 脚之间外接一电阻，其值常选用 10k 左右，如图 3.3 所示。当电位器 Rp1动端在中间位置，并且图中管脚 8 与 7 短接时，管脚 9、3 和 2 的输出分别为方波、三角波和正弦波。电路的振荡频率 f 约为
