## 風(fēng)小松

移相信號(hào)發(fā)生器

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1.設(shè)計(jì)任務(wù)、要求以及文獻(xiàn)綜述

利用正弦震蕩理論，實(shí)現(xiàn)一個(gè)正弦信號(hào)發(fā)生器，并利用積分微分電路進(jìn)行移相。 原理圖如下所示。

設(shè)計(jì)要去如下：
(1) 輸出A,B兩路正弦輸出，幅度：≥100mV；
(2)頻率：100kHz;
(3)相對(duì)于A路，B路的相位：-45°–45°可調(diào)；
(4)頻率穩(wěn)定度：≤0.0001（1000ppm）；
(5)沒(méi)有明顯失真。
此外，可擴(kuò)展功能，如幅度可調(diào)、頻率可調(diào)等。

2.原理敘述和設(shè)計(jì)方案

2.1 設(shè)計(jì)方案選擇和論證
本次的課程設(shè)計(jì)要求是設(shè)計(jì)一個(gè)移相信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)生和移動(dòng)，所以移相信號(hào)發(fā)生器首先使用LM555CN作為信號(hào)的發(fā)生，通過(guò)這個(gè)芯片，可以實(shí)現(xiàn)矩形波的產(chǎn)生，然后通過(guò)LM324AD運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，這時(shí)候可以把在矩形波積分變?yōu)槿遣?#xff0c;在變?yōu)槿遣ê笤儆靡粋€(gè)LM324AD運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，變?yōu)榱苏也?#xff0c;最后再用一個(gè)LM324AD運(yùn)算放大器繼續(xù)進(jìn)行積分，通過(guò)這樣就把正弦波變?yōu)榱擞嘞也?#xff0c;實(shí)現(xiàn)了移相的功能。

方案一
1.矩形信號(hào)電路:
LM555CN芯片，電源電壓(DC)4.50V (min)，額定電流，15.0 A，針腳數(shù)，8。能發(fā)生矩形波信號(hào)，并能進(jìn)行占空比的調(diào)試。
2.波形轉(zhuǎn)換，移相電路:
通過(guò)使用LM324AD運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，能把波形進(jìn)行變換，首先是使用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，能把來(lái)自LM555CN芯片的矩形波進(jìn)行變換，變成了三角波，然后再用一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，就能把三角波變?yōu)榱艘粋€(gè)正弦波，最后再用一個(gè)運(yùn)算放大運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，則由正弦波變?yōu)榱擞嘞也?#xff0c;這樣就能實(shí)現(xiàn)了波形的移相功能。
3.控制電路:
使用一個(gè)LM555CN芯片，和四個(gè)LM324AD運(yùn)算放大器，和若干個(gè)可變電阻，電阻和電容進(jìn)行組成，通過(guò)調(diào)節(jié)與OUT接口出來(lái)的可變電阻的大小便可以調(diào)節(jié)矩形波Y軸位移的大小，通過(guò)調(diào)節(jié)DIS接口的可變電阻則可以調(diào)節(jié)X軸的位移的大小。通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的-接口出來(lái)的可變電阻則可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)波形變換的大小。同理調(diào)節(jié)其他運(yùn)算放大器的可變電阻可以調(diào)節(jié)波形的變換，和相位的移動(dòng)。
4.結(jié)果顯示:
通過(guò)計(jì)算可變電阻電容的大小，可以計(jì)算出在滿(mǎn)足目標(biāo)要求在1K赫茲以上所需的電阻電容的大小，能實(shí)現(xiàn)了矩形波的發(fā)生，通過(guò)計(jì)算并調(diào)節(jié)其他電阻電容的大小，也能實(shí)現(xiàn)了+45°到-45°的波形的移相。
方案二
使用2個(gè)比較器，1個(gè)RS觸發(fā)器，1個(gè)繼電器，還有電阻電容，電位器組成的一個(gè)占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生器。移相電路則是使用電阻電容橋式移相電路進(jìn)行移相。
其他電路基本保持不變。
兩個(gè)方案的對(duì)比:
兩個(gè)方案對(duì)比，明顯方案一優(yōu)于方案二，方案二要多加一塊繼電器和一塊電位器，這樣無(wú)疑增加了電路的成本，且方案一的連接較為簡(jiǎn)單，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室沒(méi)LM555CN芯片可用時(shí)我們可以用方案二代替方案一。所以在方案的選擇上一般選擇方案一。
設(shè)計(jì)方案論證:
改控制系統(tǒng)的輸入，在移相的時(shí)候，方案二所用的電阻電容橋式移相電路所以行的移相，只能實(shí)現(xiàn)部分的移相功能，不能滿(mǎn)足本課程設(shè)計(jì)在-45°到+45°的移相要求。而方案一則能實(shí)現(xiàn)此要求。
2.2電路的功能框圖及其說(shuō)明

首先通過(guò)使用一個(gè)LM555CN芯片進(jìn)行矩形波的產(chǎn)生，使用第一個(gè)LM324AD運(yùn)算放大器進(jìn)行積分，能把矩形波進(jìn)行變換，變?yōu)槿遣?#xff0c;然后使用第二個(gè)積分器進(jìn)行積分，把三角波變?yōu)檎也?#xff0c;使用第三個(gè)積分器進(jìn)行積分，變?yōu)橛嘞也āＷ詈髢蓚€(gè)運(yùn)算電路是用來(lái)進(jìn)行超前移相和滯后移相。
2.3功能塊及單元電路的設(shè)計(jì)、計(jì)算
(1)矩形波控制電路:
通過(guò)使用若干個(gè)電阻，可變和電容以及 LM555CN芯片的組合，組成矩形波信號(hào)發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)頻率在1K赫茲以上的波形。電路圖如下所示。

計(jì)算公式如下：
F:1k赫茲。
由公式計(jì)算得R2=70KΩ。
(2)矩形波變?yōu)槿遣娐?積分電路:
通過(guò)這一個(gè)積分電路把上一個(gè)電路所產(chǎn)生得矩形波變?yōu)槿遣āｋ娐穲D如下所示。

計(jì)算公式如下：
Ui=1.997V。C1=5.2nF。
經(jīng)過(guò)計(jì)算得：R4=49KΩ

(3)三角波變?yōu)檎也娐?積分電路
這一部分電路把上一個(gè)電路產(chǎn)生得三角波變?yōu)檎也āｋ娐穲D如下所示。

計(jì)算公式如下：
Ui=1V。C5=1uF。
經(jīng)過(guò)計(jì)算得：R6=27KΩ

(4)超前移相電路
通過(guò)這一部分電路可以實(shí)現(xiàn)相位得超前。電路圖如下所示

計(jì)算公式：

C8=0.075UF
R14=7KΩ
計(jì)算得R13=23KΩ；

(5)滯后電路
這一電路能實(shí)現(xiàn)相位得滯后，電路圖如下所示

計(jì)算公式如下：
R9=17.2KΩ
R10=20 KΩ
C4=1uf
計(jì)算得R8=80Ω

2.4總體電路原理圖

3.電路的仿真與調(diào)試

3.1電路仿真測(cè)試
本作品使用muitisum軟件進(jìn)行仿真。仿真過(guò)程中555芯片產(chǎn)生的方波脈沖正常無(wú)雜波。脈沖波經(jīng)過(guò)兩次積分電路后產(chǎn)生的正弦波幅值和頻率正常，波形正常無(wú)雜波。產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過(guò)超前移相電路和滯后移相電路之后通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以實(shí)現(xiàn)正弦波相位從-45度到45度之間的連續(xù)調(diào)節(jié)且調(diào)節(jié)相位過(guò)程中波形的幅度頻率無(wú)明顯變化且波形無(wú)明顯失真。實(shí)現(xiàn)頻率和幅值連續(xù)可調(diào)。

3.2調(diào)試中 出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法
A.方波出現(xiàn)雜波問(wèn)題
問(wèn)題:555電路產(chǎn)生的方波用示波器檢測(cè)，在上升沿和下降沿處有明顯的毛刺。
問(wèn)題定位:經(jīng)過(guò)反復(fù)的調(diào)試和問(wèn)題尋找定位，最終發(fā)現(xiàn)555定時(shí)器多穩(wěn)態(tài)方波發(fā)生電路中少了一個(gè)電容，這個(gè)電容的作用就是增加電路的穩(wěn)定防止產(chǎn)生雜波，因?yàn)樵谲浖抡嬲{(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)那個(gè)濾波電容在電路中沒(méi)有實(shí)際的作用，增減對(duì)電路的波形沒(méi)有任何影響。于是為了簡(jiǎn)化電路就決定將此電容刪去。因?yàn)殡娔X軟件的仿真很難處理實(shí)際中的誤差影響因素，所以去掉電容之后仿真軟件的波形并沒(méi)有收到干擾。然而實(shí)際現(xiàn)實(shí)中的多種不確定因素會(huì)對(duì)作品電路產(chǎn)生很多意料不到的問(wèn)題。將555波形發(fā)生電路焊接出來(lái)后發(fā)現(xiàn)方波有明顯毛刺。
解決方法:將一個(gè)0.01u的電容重新接到響應(yīng)的引腳上。
效果:毛刺問(wèn)題得到解決。方波很完美。

下圖為加了電容后的方波

B.三角波毛刺問(wèn)題
問(wèn)題:555電路產(chǎn)生的方波經(jīng)過(guò)一次積分后得到的三角波的波峰處有明顯的長(zhǎng)豎直毛刺。
問(wèn)題定位:首先檢查積分電路接線(xiàn)是否錯(cuò)誤。發(fā)現(xiàn)電路無(wú)誤之后用示波器觀察積分電路方波輸入端口的方波是否有問(wèn)題。經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)方波很完美，沒(méi)有明顯毛刺等問(wèn)題。此時(shí)又繼續(xù)檢測(cè)lm324芯片是否有故障，先在通電運(yùn)行同事用手感受芯片的溫度，溫度正常。進(jìn)一步檢測(cè)芯片，將同種lm432芯片替換原有l(wèi)m324芯片之后三角波依然有明顯毛刺，同樣的問(wèn)題還在，沒(méi)有任何改變，可以排除芯片燒毀的可能。經(jīng)過(guò)一番的檢測(cè)和向老師的求助仍然無(wú)果。沒(méi)有放棄對(duì)問(wèn)題的尋找定位。最終突然發(fā)現(xiàn)波形通過(guò)的一根杜邦杜邦線(xiàn)有問(wèn)題，此杜邦線(xiàn)外觀正常，但是內(nèi)部線(xiàn)路斷裂導(dǎo)致線(xiàn)路接觸不良產(chǎn)生較大的毛刺干擾信號(hào)。
解決方法:將壞杜邦線(xiàn)更換新的杜邦線(xiàn)。
效果:產(chǎn)生的三角波正常，沒(méi)有明顯的毛刺。問(wèn)題得到解決。

下圖為三角波毛刺雜波圖

C.電路移動(dòng)相位問(wèn)題
問(wèn)題:產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過(guò)移相電路之后超前電路不工作，波形不能夠超前移動(dòng)相位，只能滯后移動(dòng)和調(diào)節(jié)相位。
問(wèn)題定位:首先檢查相位超前電路接線(xiàn)是否錯(cuò)誤。發(fā)現(xiàn)電路無(wú)誤之后用示波器觀察相位超前電路電路方波輸入端口的方波是否有問(wèn)題。波形幅值沒(méi)有問(wèn)題，在設(shè)定的值內(nèi)，波形無(wú)明顯變形。此時(shí)懷疑自己產(chǎn)生的正弦波由于某些不確定因素從而導(dǎo)致移相電路不正常工作。于是將相位移動(dòng)電路輸入接口接到函數(shù)發(fā)生器上，用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生更加標(biāo)準(zhǔn)的正弦波輸入到電路中。示波器觀察輸出波形仍然和不用函數(shù)發(fā)生器之前一樣。所以排除本電路產(chǎn)生正弦波不標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。這時(shí)候項(xiàng)目陷入了困境。問(wèn)題得不到解決。檢查軟件仿真無(wú)誤，反復(fù)調(diào)試仿真各個(gè)元器件的數(shù)值，模擬猜測(cè)問(wèn)題出現(xiàn)的方向。經(jīng)過(guò)一番檢查和軟件與實(shí)物結(jié)合的調(diào)試檢查后仍然無(wú)果。仿真可以完美運(yùn)行，但是實(shí)物卻完全達(dá)不到想要的效果。問(wèn)題無(wú)法定位。
解決方法:改變方案，修改電路，將相位超前移動(dòng)電路中用于防止調(diào)節(jié)相位過(guò)程中導(dǎo)致波形幅值改變的的電壓跟隨器去掉。直接用電阻和電容串聯(lián)改變相位的方法進(jìn)行相位超前變化。
效果:波形成功相位超前45度移動(dòng)。問(wèn)題得到解決。

相位超前45度圖

相位滯后45度

D.電路最終波形毛刺較多問(wèn)題
問(wèn)題:在電路的最終輸出端口輸出的正弦波產(chǎn)生較多比較明顯的毛刺。
問(wèn)題定位:經(jīng)過(guò)反復(fù)檢查和測(cè)試與查閱資料后仍然沒(méi)有找到產(chǎn)生毛刺的根本原因。輸入的正弦波信號(hào)也沒(méi)有問(wèn)題。于是猜測(cè)是波形經(jīng)過(guò)較多級(jí)數(shù)的電路處理。導(dǎo)致波形產(chǎn)生一些不可預(yù)料的毛刺產(chǎn)生。
解決方法:在波形輸出端接地并接一個(gè)小容量瓷片電容，從而理論上達(dá)到去除毛刺，圓滑波形曲線(xiàn)的目的。
效果:波形的毛刺大部分被過(guò)濾掉，波形更加光滑圓潤(rùn)。但是會(huì)導(dǎo)致輸出的正弦波幅值稍微有點(diǎn)下降。不過(guò)這些也在誤差的允許范圍內(nèi)。所以，問(wèn)題得到解決。

加電容前后波形對(duì)比圖

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄與分析

4.制作與調(diào)試

4.1元件清單
4.2實(shí)物照片

5.心得體會(huì)

經(jīng)過(guò)了一段時(shí)間的努力終于完成了波形發(fā)生移相器作品的設(shè)計(jì)。從芯片的選擇，再到電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)過(guò)程中我學(xué)習(xí)到了很多在課本上不能學(xué)習(xí)到的知識(shí)。在此次的波形發(fā)生移相器作設(shè)計(jì)過(guò)程中，我更進(jìn)一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。軟件仿真能夠在很大程度上模擬電路的實(shí)際運(yùn)行情況，能夠讓人簡(jiǎn)單快速更換元器件和修改元器件的參數(shù)調(diào)節(jié)電路。極大提高了電路設(shè)計(jì)的效率。然而，仿真不能夠很好地模仿外界現(xiàn)實(shí)生活中的不可預(yù)料的干擾。仿真僅僅是電路原理的推測(cè)和設(shè)計(jì)的初步驗(yàn)證，歸根結(jié)底還僅僅是停留在理論層面。而實(shí)物的制作才是對(duì)理論的最好驗(yàn)證。有了仿真電路圖可以更快地將作品實(shí)物給做出來(lái)，而實(shí)物的制作才是整個(gè)項(xiàng)目的最終目的。往往，按照電路圖接的實(shí)物電路并不能夠直接運(yùn)行。因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)生活中的電阻，電容，三極管，芯片等元器件的參數(shù)和特性都會(huì)有很大的誤差。元器件越多，誤差積累越多，結(jié)果也就越不符合預(yù)期。所以實(shí)際的電路還是要經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試和修改才能得到期望的結(jié)果。值得注意的是，我們的電路是按照模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)的，我們焊接電路的過(guò)程中并不能一次就將整個(gè)電路一起焊接出來(lái)，這樣子往往會(huì)出現(xiàn)很多錯(cuò)誤，一旦出現(xiàn)太多的錯(cuò)誤，那么在問(wèn)題定位的分析的過(guò)程中將會(huì)十分艱難，往往讓人無(wú)從下手。個(gè)人認(rèn)為較好的辦法就是，一個(gè)一個(gè)電路模塊焊接，分別確保每個(gè)模塊工作正常，再由輸入到輸出依次將各個(gè)模塊給組合起來(lái)。這樣的做法能夠極大縮小錯(cuò)誤產(chǎn)生的范圍，容易定位問(wèn)題所在。從而極大提高了電路實(shí)物成功運(yùn)行的概率。

總結(jié)這次的課程設(shè)計(jì)我學(xué)到了主要有如下幾點(diǎn):
1.提前做好準(zhǔn)備工作在開(kāi)始動(dòng)手之前，我們要把各芯片件的功能弄清楚，以及如何拓展，只有把這些真正的搞懂之后才能順利完成設(shè)計(jì)。
2.分析和解決問(wèn)題的思維。設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中我們難免會(huì)遇到一些不可預(yù)料的困難。當(dāng)我們遇到問(wèn)題的時(shí)候絕對(duì)不能慌。而要保持頭腦清晰，沉著冷靜地對(duì)待問(wèn)題。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題–定位問(wèn)題–分析問(wèn)題–解決問(wèn)題。整個(gè)流程思路清晰明了。一步一步按照流程操作，將問(wèn)題逐一擊破。
3.團(tuán)隊(duì)合作，不懂請(qǐng)教。這次課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作，有些時(shí)候我們也需要?jiǎng)e人的幫助，比如說(shuō)當(dāng)我們把元器件連接錯(cuò)的時(shí)候，自己-一個(gè)人很難找到錯(cuò)誤，就需要?jiǎng)e人幫忙，無(wú)形中培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作的精神。有的時(shí)候可能遇到一些問(wèn)題自己不能解決，這時(shí)我們應(yīng)該虛心像同學(xué)請(qǐng)教，只能這樣，才能更好的解決問(wèn)題。

6.參考文獻(xiàn)

1.閻石主編《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第六版）》，清華大學(xué)電子學(xué)教研組
2.楊素行主編《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程（第三版）》，清華大學(xué)電子學(xué)教研組
3.張莉萍等編著《電子課程設(shè)計(jì)使用教程》，清華大學(xué)出版社

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的移相信号发生器 课程设计 电赛 正弦波发生 相位调节的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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