毕业设计论文函数信号发生器的仿真设计与研究.doc

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1、 本科生毕业设计函数信号发生器的仿真设计 姓 名： 指导教师： 院 系： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程专业 提交日期： 2011年 4 月 26 号 目 录 中文摘要.2ABSTRACT.3引言.41概述.4 1.1 函数信号发生器作用意义.4 1.2 本文函数信号发生器要求.5 1.3 波形失真研究.5 1.3.1 失真的定义.5 1.3.2 失真分析方法.5 1.3.3 失真测量方法.5 1.3.4 失真测量中的几个问题.62电路原理及主要元器件介绍.6 2.1 电路原理.6 2.2 555芯片介绍.73电路原理图.93.1 函数信号发生器总电路图.93.2 多谐振荡器电路介绍.1

2、03.3 积分电路及其原理.114Multisim介绍.125电路仿真及数据计算.12 5.1 方波接线图.12 5.2 三角波接线图.13 5.3 正弦波接线图.14 5.4 电路数据的计算与分析.16参考文献.18致谢.18函数信号发生器的仿真设计与研究 指导老师： （黄山学院电子信息工程学院，黄山，安徽245021）摘 要：本文函数信号发生器的设计以555定时器组成的多谐振荡器为核心。主要思路是多谐振荡器在接通电源后能自行产生矩形波，方波通过积分电路将转变为三角波，三角波再经积分网络转变为正弦波，通过调节电路中相关电阻电容值可以改变占空比等波形参数，最终得到较好的波形。总电路使用软件Mu

3、ltisim进行仿真，通过软件自带示波器观察最后所得到的波形，并通过失真分析仪研究波形失真度。关键词：函数信号发生器；多谐振荡器；MultisimSimulation Designning of Function Signal generator Director：(Huangshan university, Huangshan, Anhui, 245041)Abstract:In this paper the design of function signal generator with composed of 555 timing for core. How harmonic oscil

4、lator Main thought is in after plug-in power harmonic oscillator to generate rectangle wave, can by integral circuit will transform square to the triangle wave, triangle wave by integral network change again by regulating circuit for sine wave, the related resistance capacitance can change occupies

5、emptiescompared wavform parameters, such as finally got better waveform.Total circuit using software simulation Multisim through software own oscilloscope observe the resulting waveform distortion analyzer, through research waveform distortion degree.Key word: Function signal generator ；Much harmoni

6、c oscillator ；Multisim引言 函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器，要求能够长生形状良好的方波，三角波，正弦波等波形，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，常用于科研，生产。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。本次毕业设计旨在设计一函数信号发生器，并使用软件进行电路仿真，要求电路简单波形良好。函数信号发生器的设计方案有很多，本文采用纯硬件设计，以多谐振荡器产生方波，经过积分电路转变为三角波，再经过积分网络转变为正弦波，最后以软件Multisim进行仿真。本文介绍了555定时器的参数，工作原理，及

7、利用555定时器联接而成的多谐振荡器，介绍了总电路的联接方法及电路相关参数的设定，介绍了Multisim的使用方法及对本文所介绍函数信号发生器的仿真情况。在仿真过程中，记录波形参数，研究其失真度。在设计完毕初步进行仿真之后，发现得到的波形存在较大失真，通过调节电路的电阻电容值，波形得以改善，最终得到了令人较为满意的波形。考虑到电路准确度问题，产生的波形可能会存在失真，在文章开头介绍了波形失真的定义，并介绍了波形失真的分析，计算方法。1概述 1.1函数信号发生器作用意义 凡是产生测试信号的仪器，统称为信号源，也称为信号发生器，它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。信号源可以根据输出波形的不

8、同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。函数信号发生器是指能产生某些特定的周期性时间函数波形信号的信号发生器，常用于科研，生产，维修和实验中。例如在教学实验中，常使用函数发生器的输出波形作为标准输入信号，接至放大器的输入端，配合测试仪器，例如用示波器定性观察放大器的输出端，判断放大器是否工作正常，否则，通过调整放大器的电路参数，使之工作在放大状态；然后，通过测试仪器，获得该放大器的性能指标。函数信号发生器产生信号频率的范围可从几个微赫到几十兆赫。而在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等

9、，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性，有输出指示。因此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。另外除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。 1.2本文函数信号发生器要求 1）、在给定的+6V直流电源电压条件下，使用555芯片和运算放大器设计并制作一个多波形（方波、

10、三角波和正弦波）发生器 2）、信号频率f：0.85kHz1.14kHz （实现频率可调）3）、信号周期T：874us1.155ms4）、输出电压峰峰值：方 波：2VVp-p5V 三角波：220mvVp-p340mv 正弦波：4mvVp-p14mv 1.3波形失真的研究1.3.1失真度的定义失真度表征一个信号偏离纯正弦信号的程度。失真度定义为信号中全部谐波分量的能量与基波能量之比的平方根值, 如果负载与信号频率无关, 则信号的失真度也可以定义为全部谐波电压的有效值与基波电压的有效值之比并以百分数表示, 如公式（1）： C= (1) 公式（1）中: C为失真度; P 为信号总功率; P 1 为基波

11、信号的功率; U 1 为基波电压的有效值; U 2U n 为谐波电压有效值。 1.3.2失真分析方法 目前测量失真度的原理大致分为两类：基波剔除法和频谱分析法。 一般模拟式的失真度测量仪都采用基波剔除法，通过具有频率选择性的无源网络（如：谐振电桥，文式电桥，双T陷波网络等）抑制基波，由总电压有效值和抑制基波后的谐振电压有效值计算出失真度。 第二类失真度测量采用频谱分析法，通过计算出各次谐波的大小来计算失真度。此类测量方法测量的最小频率是2Hz； 1.3.3测量方法 失真测量可以分为模拟法和数字化方法。 1）模拟法模拟法是只指测量中直接应用模拟电路对信号处理测量失真度的方法。基于模拟法的失真度测

12、量仪由于前级电路有源器件的非线形，因此对小信号的测量不够准确。模拟法又可分为基波抑制法和谐波分析法。基波抑制法的失真度测量仪采用基波抑制原理，通过具有频率选择性的无源网络抑制基波，由总的电压有效值和抑制基波后的谐波电压有效值计算出失真度。基波抑制法构成的失真测量仪可以解决的频率的范围为1Hz1MHz，但测量准确度为5%30%，因此本实验中不采用该种方法；谐波分析法的失真度测量中，用了频谱分析仪和波形分析仪检测信号中的基波和各次谐波的电压，获得基波和各次谐波的电压并带，从而计算出失真度。 2）数字化方法数字化方法是指先通过将信号数字化并送入计算机，在由计算机计算出失真度的测量方法。根据失真度的计

13、算方法可分为FFT法和曲线拟合法。 1.3.4失真度测量中的几个问题 1）测量方法或仪器的选择 在实际测量中需要针对被测信号的频率范围、失真度的大小和测量环境的需求等因素, 合理地选取测量方法或测量仪器, 否则, 将会造成过大的测量误差或测量成本的升高。 2）失真度测量精度的检验 对失真度测量精度的检验是失真度测量中涉及的重要问题, 尤其对于采用数字化测量算法的开发人员,如何生成失真信号进行仿真实验验证算法是一个至关重要的问题。由于三角波、方波和锯齿波为自然失真波, 从理论上讲由无穷多次谐波叠加而成, 比任何人为合成的标准失真源更为合理和精确 , 所以以上三种波形常被用作失真度测量仪检定的典型

14、函数, 非常适合于大中量程的检定。采用典型失真检定函数的方法, 对于数字化方法的失真度测量准确度的验证和比较尤为方便。 3）噪声干扰引入的误差影响 在失真度测量中, 由硬件装置内部的干扰、噪声等引入的杂散干扰, 以及失真度测量仪内部所引起的附加失真度等因素的影响较小, 一些性能较好的失真度测量仪中这些影响可以小到(1 5) 10- 4量级。因此, 噪声、干扰对大失真度的测量影响甚微, 但对于小失真度的测量影响较大。2电路原理及主要元器件介绍 2.1电路原理本次设计采用555定时器组成多谐振荡器，在接通电源后自行产生矩形波，通过积分电路将矩形波转变为三角波，再经积分网络转变为正弦波。具体示意图如

15、图1所示。方波正弦波三角波多谐振荡器 积分电路 积分电路 图1 波形转换示意图 2.2 555芯片介绍 555定时器是一种集模拟、数字于一体的中规模集成电路，可以将输入的模拟信号变化为一定的数字信号输出，因而广泛应用于生产实践的各个领域。它不仅用于信号的产生和变换，还常用于控制和检测电路中。555定时器的内部电路由分压器、电压比较器C1和C2、由两个与非门G1和G2组成的基本RS触发器（低电平触发）、放电三极管T以及输出反相缓冲器G3组成，其内部结构图如图2所示。图2 555定时器内部结构图 引脚功能：Vi1（TH）：高电平触发端，简称高触发端，又称阈值端，标志为TH。Vi2（）：低电平触发端

16、，简称低触发端，标志为。VCO：控制电压端。VO：输出端。Dis：放电端。：复位端。 555定时器内含一个由三个阻值相同的电阻R组成的分压网络，产生VCC和VCC两个基准电压；两个电压比较器C1、C2；一个由与非门G1、G2组成的基本RS触发器（低电平触发）；放电三极管T和输出反相缓冲器G3。 是复位端，低电平有效。复位后, 基本RS触发器的端为1（高电平），经反相缓冲器后，输出为0（低电平）。 分析555定时器的内部电路图可知：在555定时器的VCC端和地之间加上电压，并让VCO悬空，则比较器C1的同相输入端接参考电压VCC，比较器C2反相输入端接参考电压VCC ，为了学习方便，我们规定：

17、当TH端的电压VCC时，写为VTH=1，当TH端的电压VCC时，写为VTR=1，当端的电压VCC时，写为VTR=0。 1)低触发：当输入电压Vi2VCC 且Vi1VCC 且Vi1VCC，则VTH=1，比较器C1输出为低电平，无论C2输出何种电平，基本RS触发器因=0，使1，经输出反相缓冲器后，VO0；T导通。这时称555定时器“高触发”。 VCO为控制电压端，在VCO端加入电压，可改变两比较器C1、C2的参考电压。正常工作时，要在VCO和地之间接001F（电容量标记为103）电容。放电管Tl的输出端Dis为集电极开路输出。555定时器的控制功能说明如表1所示。 表1 555定时器控制功能表输

18、入输 出THVODisLL导通VCCVCCHH截止VCCH不变不变VCCHL导通 555定时器的内部电路框图及逻辑符号和管脚排列如图3所示。 图3（a） 555定时器内部电路框图 图3（b） 555定时器管脚排列 3电路原理图 3.1函数信号发生器总电路图如下图所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。其中555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2R3RPC2；C2的放电回路是C2RPR3IC的7脚(放电管)。由于R3+RPR2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1kHz左右，调节电位器RP可改

19、变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6和R6、C7积分网络，输出正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源指示。如图4所示电路可同时产生方波、三角波、正弦波并输出。图4 函数信号发生器电路原理图 3.2多谐振荡器电路介绍 用555定时器组成的多谐振荡器及工作波形如图5所示。 图5（a）555定时器组成的多谐振荡器 图5（b）多谐振荡器工作波形 接通电源后，电容C被充电，当1上升到VCC时，使为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C通过R2 和T放电，当1下降到VCC 时，翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为 T1 =0.7R2 C (2)

20、当放电结束时，T截止，VCC将通过R1和R2向电容器C充电，1由VCC上升到VCC所需的时间为 T2 =0.7( R1 + R2)C (3） 当1上升到VCC时，电路又翻为低电平。如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波。电路的工作波形如下 其振荡频率为 f =1.43/( R1 + 2R2)C （4） 占空比 q%= T2/(T1+T2) （5） 3.3积分电路及其原理 1）积分电路结构及波形如图6所示。UiUitTtkE输入电压波形tUo R UoRCtkC积分电路输出电压波形 图6（a）积分电路结构图 图6（b）积分电路输入输出波形由积分电路得： （6） 则: （7）

21、（8） 幅频特性： （9） 相频特性： （10） 2）积分电路原理RC积分电路如图所示，是脉冲技术中常用的电路之一，该电路的时间常数t较大，一般取t=10tk。 当输入信号Ui在t1时刻U0(ti)=0 ，此后Ui向C 充电，U0按指数规律上升；在t1t3其间，Ui=0,电容C处于放电状态，U0下降，在t3t4其间U0又按指数规律上升，如此周而复始，就得到了近似锯齿波的输出电压，如图U0的波形，矩形脉冲的占空比不同，输出电压的幅度也不同。显然，占空比越大，输出电压的幅度也就越接近输入信号的幅度E.4 Multisim介绍 Multisim是Interactive Image Technolog

22、ies (Electronics Workbench)公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。本次电路仿真使用Multisim 9。 Multisim 9由构建仿真电路；仿真电路环

23、境；multi mcu单片机仿真 ；FPGA、PLD，CPLD等仿真；FPGA、PLD，CPLD等仿真；通信系统分析与设计的模块；PCB设计模块组成：Multisim 9可进行器件建模及仿真，可以建模及仿真的器件包括模拟器件（二极管，三极管，功率管等），数字器件（74系列，COMS系列，PLD，CPLD等）；FPGA器件；电路的构建及仿真；系统的组成及仿真；仪表仪器原理及制造仿真；器件建模及仿真。经过数个版本发展Multisim 9可以根据自己的需求制造出真正属于自己的仪器；所有的虚拟信号都可以通过计算机输出到实际的硬件电路上;所有硬件电路产生的结果都可以输回到计算机中进行处理和分析。5电路的

24、仿真及数据计算 5.1方波接线图 方波接线图如图7所示,由多谐振荡器输出端作方波输出端，接入示波器。所得方波波形如图8所示。图7 方波电路接线图图8 方波波形 5.2三角波接线图 三角波接线图如图9所示，由方波输出端经积分电路作为三角波输出端，接入示波器，所得三角波波形如图10所示。 图9 三角波接线图图10 三角波波形 5.3正弦波接线图 正弦波接线图如图11所示，由三角波输出端经过积分电路作为正弦波输出端，接入示波器，所得正弦波波形如图12所示。 图11 正弦波接线图图12 正弦波波形 MULTISIM电路仿真实验数据如表2所示。表2 电路仿真波形参数表周期T频率f三角波峰值Vp正弦波峰值

25、Vp方波峰值Vp三角波峰峰值Vp-p正弦波峰峰值Vp-p方波峰峰值 Vp-p1.272ms786HZ136.517mv3.190 mv2.566v247mv6.705mv5.012v 5.4电路数据的计算与分析 根据图13，由555定时器组成的振荡电路分析得：图13 多谐振荡器图 电容C1的放电时间由（2）式可得：T1=(R3+Rp)C1ln20.7(R3+Rp)C1 代入数据可得434us T1574us 电容C充电时间由（3）式可得：T2=(R2+R3+Rp)C1ln20.7(R2+R3+Rp)C1 代入数据可得441us T2581us 故电路的振荡周期由（4）式可得： f=1/(T1+

26、T2)0.7/(R1+2R2+2Rp)C1 代入数据可得866HZ f1144HZ输出波形占空比由（5)式可得：q(%)= T2/(T1+T2) 100%50% 仿真完成时通过观察MULTISIM示波器查看波形，发现正弦波存在失真，记录一定时间内波形数据，如表3，在一定时间内频率变化如表4所示。表3 示波器测量数据记录表电位器R周期T频率f三角波峰值Vp正弦波峰值Vp方波峰值Vp三角波峰峰值Vp-p正弦波峰峰值Vp-p方波峰峰值Vp-p0%1.006ms977.2HZ118mv7.2 mv2.04v228mv12.6mv3.76v100%1.153ms863.3HZ122mv6.8 mv2.0

27、4v234mv13mv3.76v 表4 频率变化数据（5分钟内）Rpfmaxfmin0%1009Hz993.7Hz100%863.3Hz786Hz 占空比： q(%)=T2/(T1+T2)=50%频率稳定度： Rp取0%时 =(fmax-fmin)/f0100%=（1009-993.7)/1144=1.34%1% Rp取100%时 =(fmax-fmin)/f0100%=（863.3-786）/866=8.89%1% 通过MULTISIM提供的失真分析仪观察正弦波输出端，发现确实存在失真，如图14，经分析原因可能是电路电阻电容值没有调到最佳，其次在仿真时，为了使结果更加接近现实，选择了存在允许

28、误差的元器件。图14 正弦波输出端失真测量参考文献1 阎石.数字电子技术基础第四版M. 北京：高等教育出版社，1998：308-3572 杨志忠.电子技术课程设计M.北京：机械工业出版社，2008:91-933 陈尚松，郭庆，雷加.电子测量与仪器M.北京：电子工业出版社，2009:75-774 张同怀, 张庆玲. 输出幅度可控制的信号发生器J. 科学技术与工程 , 2010,(13)5 许文斌. 单片机实现智能信号发生器J. 中国新技术新产品 , 2008,(17)6 郭淑珍, 吕秋芬, 李志华, 李秀玲. 555定时器应用中的问题探讨J. 河北师范大学学报(自然科学版) , 2002,(02

29、)李健. 555定时器及其应用J. 经营管理者 , 2009,(04)7 任晓光. 集成555定时器及其应用J. 电大理工 , 2004,(03)8 颜恒斌, 张玉洁. 探讨MultiSim仿真软件在电工实验中的应用J. 科技信息(学术研究) , 2008,(26)9 吴孝谦, 赵勇. “555”集成芯片及应用实例简介J. 中国无线电 , 2007,(05)10 林春方电子线路学习指导与实训M北京，电子工业出版社，2004：179.11 高吉祥电子技术基础实验与课程设计M北京，电子工业出版社，2002：187致谢 行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声

30、。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。生我者父母,感谢生我养我，含辛茹苦的父母。是你们，为我的学习创造了条件；是你们，一如既往的站在我的身后默默的支持着我。没有你们就不会有我的今天。谢谢你们，我的父亲母亲！育我成才者老师。感谢我的指导老师孙剑老师，这篇论文是在老师的的悉心指导与鼓励下完成的。孙老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德，都将深深地感染和激励着我。感谢为这篇论文的完成付出了辛勤劳动和心血的同学。感谢电本2007级的同学们。四年来，是同学让我的大学生活变得更加丰富多彩，我们一起亲历了大学的别样生活，愿同窗友谊之树长青。 18