低频信号发生器设计报告

一.设计要求

（一）设计题目要求

1．分析电路的功能并设计电路的单元电路

2．查找图中相应元件的参数，找出国内外对应元件的型号

3．用EWB或Multisim软件进行电路仿真，打印仿真原理图和仿真结果

4．用A3图纸绘出系统电路原理图

（二）其他要求

1．必须独立完成设计课题

2．合理选用元器件

3．要求有目录、参考资料、结语

4．论文页数不少于20页

二.设计的作用、目的

（一）设计的作用

低频信号发生器是电子测量中不可缺少的设备之一。完成一个低频信号发生器的设计，可以达到对模拟电路知识较全面的运用和掌握。

（二）设计的目的

电子电路设计及制作课程设计是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：

1．进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；

2．基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；

3．熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。

三.设计的具体实现

（一）系统概述

根据课题任务，所要设计的低频信号发生器由三大部分组成：

⑴正弦信号发生部分

⑵信号输出部分

⑶稳幅部分

其中由正弦信号发生部分的电路产生所需要的正弦信号，由输出电路将信号放大后进行输出，再由稳幅电路部分从输出的信号采样反馈回信号发生部分进行稳幅。

1.正弦信号发生部分可以有以下实现方案：

⑴以晶体管为核心元件，加RC（文氏桥或移相式）或LC（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的分立元件正弦波振荡电路。这种电路的优点是简单、廉价，但由于采用分立元件，稳定性较差，元件较多时调节也较麻烦。

⑵以集成运放为核心元件，加RC（文氏桥或移相式）或LC（变压器反馈式、电感三点式、电容三点式、晶振等）选频网络以及稳幅电路等构成的正弦波振荡电路。这种电路的优点是更为简单，性价比较好，但频率精度和稳定性较差。

⑶以集成函数信号发生器为核心元件，加适当的外围元件构成正弦波产生电路。例如函数发生器ICL8038芯片加电阻、电容元件，在一定电压控制下，可以产生一定频率的方波、三角波和正弦波。这种电路的优点时调节方便，在所采用的外围元件稳定性好的情况下，可以得到较宽频率范围的，且稳定性、失真度和现行度很好的正弦信号。

⑷利用锁相环（PLL）技术构成的高频率精度的频率合成器。其框图如下图所示。

这种电路主要是利用锁相，即使现象未同步技术来获得频率高稳定度，且频率可步进变化的振荡源。

现在已有集成锁相环电路芯片，例如CC4046，辅以参考频率源、分频器等外围电路后，即可构成频率合成器。

⑸直接数字合成（DDS）正弦信号源。下图为DDS的原理框图。

由图可知，这是一种数字系统。其工作原理是将所需正弦信号的一个周期的离散样点的幅值数字量存于数字波形存储器（ROM或RAM）中，按一定的地址间隔（即相位增量）读出，再经D/A转换成模拟正弦信号，低通滤波器用来滤去D/A带来的小台阶以及其他杂波信号。改变地址间隔的步长，可改变输出正弦信号的频率。

DDS的频率精度和稳定度由系统的时钟决定。

DDS可合成产生任意波形的信号，只要把所需波形预先计算好并存于数字波形存储器中，DDS就可以合成出方波、三角波及各种调制波形和任意形状的波形。

目前有专用的DDS集成电路芯片，其时钟频率最高可达1GHz以上，产生的正弦信号频率可达数百兆赫。

本课题对所产生的正弦信号的频率精度没有要求，再考虑模拟电路课程的基本内容和课程设计的目的，选择⑴和⑵方案较为合适。因为课题要求的低频信号振荡频率一般在几十千赫以下，应选择RC选频网络的正弦振荡电路（LC选频网络适合于振荡频率在1MHz以上的高频，RC选频网络适合于几百千赫以下的低频）。

2．稳幅方案

常用的稳幅方法是根据震荡幅度的变化来改变负反馈的强弱，若振幅增大，负反馈系数

就自动变大，加强负反馈，限制振幅继续增长；反之，若振幅减小，负反馈系数就自动变小，减弱负反馈，防止振幅继续下降，从而达到稳幅的目的。

因此，有三种稳幅方案可供选择：

⑴利用二极管的非线性特性完成自动

图1

利用二极管的非线性特性完成自动稳幅的电路，如图1所示，为了保证上、下振幅对称，在图内的电路中，两支稳幅二极管和必须匹配，从提高温度稳定性来看，宜选用硅管。不难看出，在振荡过程中，和将交替导通和截止，并与电阻并联，因此利用二极管的非线性正相导通电阻的变化就能改变负反馈的强弱。当振幅增大时，减小，负反馈加强，限制幅度继续增大；反之，当振幅减小时，增大，负反馈减弱，防止振荡继续下降，进而达到稳幅的目的。这种电路简单经济，但它的温度系数较小，输出波形失真较大，适合于要求不高的场所。

⑵采用热敏电阻作负反馈电阻进行稳幅

图2

如图2所示，当输出电压因外界条件增大时，流过的电流增大，温度升高，电阻变小，负反馈系数F=1+变小，从而使输出幅度减小。反之，当因外界条件减小时，流过的电流减小，温度降低，电阻变大，负反馈系数F=1+变大，从而使输出幅度增大，从而达到稳幅的目的。

用二敏电阻进行稳幅的优点是电路简单，失真度低；缺点是热敏电阻本身受环境温度影响，使输出幅度变化。

⑶用N沟道结型场效应管组成的压敏电阻进行稳幅

图3

原理图如图3所示，运算放大器接成负半波放大器，并与W、、、T等元件构成负反馈稳幅电路。当输出幅度减小，导致的输入减小，输出负值的绝对值也减小，即场效应管栅极电位上升，引起其等效电阻下降，所以的闭环增益升高，使输出幅度回升。当输出幅度增大，导致的输入增大，输出负值的绝对值也增大，即场效应管栅极电位降低，引起其等效电阻上升，所以的闭环增益降低，使输出幅度回落。从而达到稳幅的目的。

3.输出电路部分设计

输出部分有以下设计方案

⑴射极输出器。

这种电路的特点是电路简单，输出波形好，输入电阻高，输出电阻低，可对前级电路和负载起到隔离作用，同时带负载能力也强，虽然电压放大倍数近似为1，但电流放大倍数大，因此有一定的功率输出能力。这种电路的缺点是由于三机管工作在近似甲类状态，因此效率低（低于50%）。在要求高功率、高效率的情况下，不能满足要求。一般用于输出功率和效率要求低的场合。

⑵BJT管OCL或OTL功率放大电路。

这两种功率输出电路在选择合适的元器件和电源电压后可以设计出有较大功率输出，效率低于75%的技术指标来。这两种电路的缺点是调整比较费事，BJT功率管及电路的对称性不容易做到，因此在要求高功率、高效率的情况下，波形很难达到理想效果。

⑶MOSFET管功放电路。

MOSFET功率管要求激励功率小，因此可直接由前置级驱动而无须再加推动级；输出功率大，输出漏极电流具有负温度系数，工作安全可靠，无须加保护措施，因此比BJT管功放电路简单。

⑷集成功率放大器。

目前已有很多公司生产出各种性能指标的集成功率放大器。只要根据课题技术指标要求选择合适的芯片，按照其手册给出的典型应用电路连接相应的外围电路即可。因此，在条件允许的情况下，选择合适的集成功放芯片来组建电路，一般都能完成功率、效率等技术指标要求。例如D2006就是一种内部有输出短路保护和过热自动闭锁的低频大功率集成电路。

（二）单元电路设计、仿真与分析

1．正弦振荡电路的设计和计算

根据以上分析，正弦信号发生功能块选用一通用型集成运算放大器F007（μA741）为核心元件的文氏桥正弦振荡单元电路，因为该电路可以做到频率调节范围较宽，波形较好。为了改善振荡波形，并使输出幅度稳定，拟选择场效应管组成的稳幅电路.

正弦振荡电路的原理图如图4所示

正弦振荡电的设计如下：

⑴RC选频网络的计算

图4

图中，电阻R和电容C的取值决定了振荡频率，即f=，按照图中所示，取电容C=0.47F，电阻R=13.35k，则可产生频率约为25Hz的正弦波。

⑵负反馈网络的计算

负反馈稳幅电路中选用N沟道节型场效应管3DJ6F作为压控电阻，因为它工作在可变电阻区时较小，约为1k。它与串联后再与并联，然后与共同构成负反馈网络。

（+）∥=≈3.4k

课题中选用=7.2k

所以＞2［（+）∥］

这样保证了起振条件.

⑶集成运放的选择

选择集成运放时，主要考虑其输入电阻、输出电阻、增益带宽积、转换速率是否满足技术指标要求。

本课题中选择CF741位振荡器的放大器件，因为他的转换速率SR≥0.5V/，满足下列要求：

SR≥2

≥3

指增益带宽积，为运放输出正弦电压的峰值。CF741的为1.2MHz，满足要求，一般振荡产生的电压峰值不大，都能满足要求。

2.输出电路的选择、设计及计算

⑴输出电路的选择、设计

通过比较可知，采用分立元件构成的具有恒流源的差动放大器组成的OCL功率放大电路比较合适，因为它简单、廉价、输出效率高。

如图5所示，它由输入级、中间级、输出级及偏置电路组成。输入级是由、、组成的单端输入、单端输出的共射组态恒流源式差动放大电路，可以抑制零点漂移，它从的集电极处取出输出信号加到中间级。

图5

中间级是由、组成的共射组态放大电路，它能提高放大倍数，是恒流源，作为的有源负载，因此其“C-E”间的动态电阻很大，相比之下，+上的交流压降可以忽略不计，因此，、的基极电位可看作相等。输出级是由、、、组成的准互补对称电路，它能提高带负载能力。其中，、是由NPN-NPN组成的NPN型复合管，、是由PNP-NPN组成的PNP型复合管。

、、、的作用是改善温度特性，是平衡电阻，当=∥时，与的输入电阻相等。、、组成了倍压电路，为输出级提供所需的静态工作点，以消除交越失真。偏置电路是由、、和、组成的恒流源电路，并由、、提供基准电流。

集电极输出的交流信号，正半周时使功率放大管、导通，起信号放大作用，并把放大后的正半周信号送给负载；信号的负半周时，、功放管截止，功放管、导通，放大信号，放大后的负半周信号也送给负载。因此上可以获得完整的正弦波信号。与串联后与负载并联可以改善放大电路的频率响应，还可以避免因过压而击穿功放管。

差动输入级、、组成的单端输入、单端输出的共射组态恒流源式差动放大电路，静态时，可以通过调节或地电阻值，使输出端直流电压为零。当=0的静态情况变换（例如温度上升时），通过、的负反馈作用能够自动稳定静态工作点。

采用恒流源式的差动放大器，保证了在没有信号输入时，输出电压为零并且可获得尽可能低的零点飘移和尽可能高的共模抑制比

⑵输出电路的计算

① 输出级的计算

功率管的选择主要考虑三个极限参数，即、和

、的选择

、在电路中可能承受的反向电压最大值为=+≈2=30V（截止时）。

为了保证稳定作用，又不至消耗过多的功率，通常选取

==（0.05～0.1）

取系数为0.06，=20，那么

==20×0.06≈1

流过、的最大集电极电流为

≈/(+)=/ (+)≈0.71A

、可能承受的最大功耗，按照教材中对乙类功率放大器的分析，应为

=0.2=0.2（）=1.125（W）

实际上，静态时，、中通常还有几十mA的静态工作电流将产生管功耗（·），选管时应予以考虑。

取=10mA，则要求所选用的管子

＞30V，

＞/(+)=/ (+)=0.71A

＞0.2（）+（·）=1.125+0.01×15=1.275（W）

根据以上计算、选用3DA101A满足要求

、的选择

、的耐压仍应按＞30V选用

考虑到、管集电极在和上的分流作用，它们的最大值可近似估计为

==（1.1～1.5）=（1.1～1.5）

假定=50，系数取1.3，则

==1.3×≈18.5mA

、管的最大功耗通常也按照下列公式计算

==（1.1～1.5）≈1.3×≈33(W)

根据以上计算，、分别选用3DG130C和3CG130C满足要求

互补部分的计算

、的输入电阻

==（1+）×+，

而大功率管的一般都在10左右。

为了使、的输入电流能大部分注入到、的基极，一般选

==（5～10）

是平衡电阻，当=∥时，与的输入电阻相等。

假定、的为50，那么==10+（1+50）×1=≈60（）

综上所述，选取==360符合要求

= ≈51符合要求

倍压电路的计算

=(+++)

所以，

+++=

电路中=3k，=1.5k，

故1≤≤3

只要合理调节即可使、有合适的静态工作点，从而消除交越失真

承受的最大反向电压小于30V，集电极电流和最大功耗都不大，所以选用3DG100A符合要求。

综上所述，倍压电路符合要求。

②中间级的计算

、的最大反向电压仍为30V，最大集电极电流和功耗不是很大，所以、分别选3CG110B和3DG130C符合要求。

和取150的小电阻，可以改善、的温度特性。

③偏置电路的计算

中静态电流=≈16mA

因此，和、可以为、提供合适的偏置电流和偏置电压。

④差动放大电路的计算

、、组成单端输入、单端输出形式的有源差动放大电路，可以抑制零点漂移。、、的最高反向电压小于30V，最大集电极电流和功耗都很小，所以、、均选用小功率管3DG130C符合要求

此外，和组成交直流电压串联负反馈，可改善整个放大电路的性能，取2k，取62k，均远大于，可避免对输出信号的影响。

3.稳幅电路的设计和计算

根据稳幅方案的比较，采用N沟道结型场效应管稳幅方案。因为场效应管的漏源电阻在漏源电压较小时，工作于可变电阻区，此时的可以看做是一个线性电阻，而且，此时的可以看作是一个线性电阻，而且，此时控制变化非常灵敏，越负（对于N沟道结型场效应管≤0），越大，所以其稳幅作用要比用热敏电阻和二极管来稳幅好得多。负反馈电路见图3，运算放大器A1接成负半波放大器，保证了＜0，并与W、、、、T等元件构成负反馈稳幅电路，、构成A1的负反馈网络，、利用二极管的单向导电性使输出信号只有负半波，因为输出管均为硅材料，所以、也应为硅材料。因为电路要求频带较宽，所以检波二极管、选用开关二极管2CK13

为了减小波形失真，得到较平滑的，检波电路的时间常数=要大一些，一般取=＞10=10/。本课题中f=1kHz，==1M×0.1=0.1s，10/=0.01s，所以=＞10/

所以检波电路符合要求。W取1M，减小了对输出信号的影响，它既可以调节输出幅度，又在反馈回路中充当采样器。

部分常用二极管的主要参数如下表所示。

（三）系统电路整体工作原理

系统电路图如下

电路刚接通时，输出电压=0，所以=0，此时最小，有集成运放组成的同相比例放大电路（对选频网络送回的震荡信号放大）的电压放大倍数最大，电路容易起振。起振后的失真很大，经、分压后被送到差动放大电路的输入端，放大后从集电极输出，送到中间级的基极，再经放大后，送到功放电路的输入端，被放大后输出。随着地幅度逐渐上升，、、组成的倍压检波电路在两端形成一个上负下正且逐渐上升的直流电压，即越来越负，也越来越大，A也就随着降低，直到A=3，正弦振荡电路达到震荡平衡状态，输出达到稳定。

（四）系统仿真

在EWB工作平台下，建立系统电路图并进行模拟仿真。利用软件提供的虚拟仪器进行模拟仿真测试，观察记录测试结果，调试步骤如下:

⑴粗调全电路

若电路连接无误，接通电源后振荡电路即应起振，也即输出正弦波形，可用EWB中提供的虚拟仪器——示波器进行观察。若无输出，应先将示波器接到振荡电路的输出端，检查振荡电路波形有无失真，若无振荡波形，一般有两个原因，一是正反馈之路没有连接好，二是闭环放大倍数小，可首先加大的值（可串联一个电位器进行调节），正常情况下应能调出正弦波形来。

若振荡电路正常，再检查输出电路，用EWB提供的虚拟仪器——数字多用表测量、、、管的静态工作点是否与设计值相符，若有偏离可适当调节。两部分电路都正常后，输出应由正弦振荡波形

⑵细调幅频特性

用EWB提供的虚拟仪器——波特图仪（即频率特性测试仪），可以测量和现实所完成低频信号发生器电路的输出的幅频特性和相频特性。

⑶调节输出幅度

用EWB提供的虚拟仪器——示波器测量输出的幅度，输出幅度主要由场效应管偏压、分压电阻、来决定。若输出幅度过小，可适当减小分压比。

仿真结果图如下图

图中下面的正弦波（A通道）为最终输出波形，上面的正弦波（B通道）为RC振荡电路输出的波形

四.心得体会及建议

1.体会

经过分析、设计低频信号放大器，我对RC串并联振荡电路、差分放大电路、功率放大电路有了更深刻的认识，熟悉了它们的工作原理、工作条件，同时对一些常用的电阻器、变阻器、二极管、三极管等元器件以及集成运算放大器的各种型号更加了解，学会了如何正确选用、替换它们。例如，选用三极管时，主要考虑它的最高反向工作电压、最大集电极电流和最大集电极耗散功率。

2.建议

本课题只是要求对低频信号发生器的各部分电路功能进行分析，对一些元器件的参数进行简单的计算炎症，如果有条件，我们应该通过独立计算、分析，设计一个可调频的低频信号发生器，例如可以独立设计一个频率为20Hz～20kHz的步调式低频信号发生器。

五.附录

常用电阻器标称阻值：