## 風小松

移相信號發生器

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1.設計任務、要求以及文獻綜述

利用正弦震蕩理論，實現一個正弦信號發生器，并利用積分微分電路進行移相。 原理圖如下所示。

設計要去如下：
(1) 輸出A,B兩路正弦輸出，幅度：≥100mV；
(2)頻率：100kHz;
(3)相對于A路，B路的相位：-45°–45°可調；
(4)頻率穩定度：≤0.0001（1000ppm）；
(5)沒有明顯失真。
此外，可擴展功能，如幅度可調、頻率可調等。

2.原理敘述和設計方案

2.1 設計方案選擇和論證
本次的課程設計要求是設計一個移相信號發生器，實現信號的發生和移動，所以移相信號發生器首先使用LM555CN作為信號的發生，通過這個芯片，可以實現矩形波的產生，然后通過LM324AD運算放大器進行積分，這時候可以把在矩形波積分變為三角波，在變為三角波后再用一個LM324AD運算放大器進行積分，變為了正弦波，最后再用一個LM324AD運算放大器繼續進行積分，通過這樣就把正弦波變為了余弦波，實現了移相的功能。

方案一
1.矩形信號電路:
LM555CN芯片，電源電壓(DC)4.50V (min)，額定電流，15.0 A，針腳數，8。能發生矩形波信號，并能進行占空比的調試。
2.波形轉換，移相電路:
通過使用LM324AD運算放大器進行積分，能把波形進行變換，首先是使用一個運算放大器進行積分，能把來自LM555CN芯片的矩形波進行變換，變成了三角波，然后再用一個運算放大器進行積分，就能把三角波變為了一個正弦波，最后再用一個運算放大運算放大器進行積分，則由正弦波變為了余弦波，這樣就能實現了波形的移相功能。
3.控制電路:
使用一個LM555CN芯片，和四個LM324AD運算放大器，和若干個可變電阻，電阻和電容進行組成，通過調節與OUT接口出來的可變電阻的大小便可以調節矩形波Y軸位移的大小，通過調節DIS接口的可變電阻則可以調節X軸的位移的大小。通過調節運算放大器的-接口出來的可變電阻則可以實現調節波形變換的大小。同理調節其他運算放大器的可變電阻可以調節波形的變換，和相位的移動。
4.結果顯示:
通過計算可變電阻電容的大小，可以計算出在滿足目標要求在1K赫茲以上所需的電阻電容的大小，能實現了矩形波的發生，通過計算并調節其他電阻電容的大小，也能實現了+45°到-45°的波形的移相。
方案二
使用2個比較器，1個RS觸發器，1個繼電器，還有電阻電容，電位器組成的一個占空比可調的矩形波發生器。移相電路則是使用電阻電容橋式移相電路進行移相。
其他電路基本保持不變。
兩個方案的對比:
兩個方案對比，明顯方案一優于方案二，方案二要多加一塊繼電器和一塊電位器，這樣無疑增加了電路的成本，且方案一的連接較為簡單，當實驗室沒LM555CN芯片可用時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。
設計方案論證:
改控制系統的輸入，在移相的時候，方案二所用的電阻電容橋式移相電路所以行的移相，只能實現部分的移相功能，不能滿足本課程設計在-45°到+45°的移相要求。而方案一則能實現此要求。
2.2電路的功能框圖及其說明

首先通過使用一個LM555CN芯片進行矩形波的產生，使用第一個LM324AD運算放大器進行積分，能把矩形波進行變換，變為三角波，然后使用第二個積分器進行積分，把三角波變為正弦波，使用第三個積分器進行積分，變為余弦波。最后兩個運算電路是用來進行超前移相和滯后移相。
2.3功能塊及單元電路的設計、計算
(1)矩形波控制電路:
通過使用若干個電阻，可變和電容以及 LM555CN芯片的組合，組成矩形波信號發生器，實現頻率在1K赫茲以上的波形。電路圖如下所示。

計算公式如下：
F:1k赫茲。
由公式計算得R2=70KΩ。
(2)矩形波變為三角波電路-積分電路:
通過這一個積分電路把上一個電路所產生得矩形波變為三角波。電路圖如下所示。

計算公式如下：
Ui=1.997V。C1=5.2nF。
經過計算得：R4=49KΩ

(3)三角波變為正弦波電路-積分電路
這一部分電路把上一個電路產生得三角波變為正弦波。電路圖如下所示。

計算公式如下：
Ui=1V。C5=1uF。
經過計算得：R6=27KΩ

(4)超前移相電路
通過這一部分電路可以實現相位得超前。電路圖如下所示

計算公式：

C8=0.075UF
R14=7KΩ
計算得R13=23KΩ；

(5)滯后電路
這一電路能實現相位得滯后，電路圖如下所示

計算公式如下：
R9=17.2KΩ
R10=20 KΩ
C4=1uf
計算得R8=80Ω

2.4總體電路原理圖

3.電路的仿真與調試

3.1電路仿真測試
本作品使用muitisum軟件進行仿真。仿真過程中555芯片產生的方波脈沖正常無雜波。脈沖波經過兩次積分電路后產生的正弦波幅值和頻率正常，波形正常無雜波。產生的正弦波經過超前移相電路和滯后移相電路之后通過調節滑動變阻器可以實現正弦波相位從-45度到45度之間的連續調節且調節相位過程中波形的幅度頻率無明顯變化且波形無明顯失真。實現頻率和幅值連續可調。

3.2調試中 出現的問題及解決方法
A.方波出現雜波問題
問題:555電路產生的方波用示波器檢測，在上升沿和下降沿處有明顯的毛刺。
問題定位:經過反復的調試和問題尋找定位，最終發現555定時器多穩態方波發生電路中少了一個電容，這個電容的作用就是增加電路的穩定防止產生雜波，因為在軟件仿真調試過程中發現那個濾波電容在電路中沒有實際的作用，增減對電路的波形沒有任何影響。于是為了簡化電路就決定將此電容刪去。因為電腦軟件的仿真很難處理實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有收到干擾。然而實際現實中的多種不確定因素會對作品電路產生很多意料不到的問題。將555波形發生電路焊接出來后發現方波有明顯毛刺。
解決方法:將一個0.01u的電容重新接到響應的引腳上。
效果:毛刺問題得到解決。方波很完美。

下圖為加了電容后的方波

B.三角波毛刺問題
問題:555電路產生的方波經過一次積分后得到的三角波的波峰處有明顯的長豎直毛刺。
問題定位:首先檢查積分電路接線是否錯誤。發現電路無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題。經過檢測發現方波很完美，沒有明顯毛刺等問題。此時又繼續檢測lm324芯片是否有故障，先在通電運行同事用手感受芯片的溫度，溫度正常。進一步檢測芯片，將同種lm432芯片替換原有lm324芯片之后三角波依然有明顯毛刺，同樣的問題還在，沒有任何改變，可以排除芯片燒毀的可能。經過一番的檢測和向老師的求助仍然無果。沒有放棄對問題的尋找定位。最終突然發現波形通過的一根杜邦杜邦線有問題，此杜邦線外觀正常，但是內部線路斷裂導致線路接觸不良產生較大的毛刺干擾信號。
解決方法:將壞杜邦線更換新的杜邦線。
效果:產生的三角波正常，沒有明顯的毛刺。問題得到解決。

下圖為三角波毛刺雜波圖

C.電路移動相位問題
問題:產生的正弦波經過移相電路之后超前電路不工作，波形不能夠超前移動相位，只能滯后移動和調節相位。
問題定位:首先檢查相位超前電路接線是否錯誤。發現電路無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題。波形幅值沒有問題，在設定的值內，波形無明顯變形。此時懷疑自己產生的正弦波由于某些不確定因素從而導致移相電路不正常工作。于是將相位移動電路輸入接口接到函數發生器上，用函數發生器產生更加標準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發生器之前一樣。所以排除本電路產生正弦波不標準的問題。這時候項目陷入了困境。問題得不到解決。檢查軟件仿真無誤，反復調試仿真各個元器件的數值，模擬猜測問題出現的方向。經過一番檢查和軟件與實物結合的調試檢查后仍然無果。仿真可以完美運行，但是實物卻完全達不到想要的效果。問題無法定位。
解決方法:改變方案，修改電路，將相位超前移動電路中用于防止調節相位過程中導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改變相位的方法進行相位超前變化。
效果:波形成功相位超前45度移動。問題得到解決。

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題
問題:在電路的最終輸出端口輸出的正弦波產生較多比較明顯的毛刺。
問題定位:經過反復檢查和測試與查閱資料后仍然沒有找到產生毛刺的根本原因。輸入的正弦波信號也沒有問題。于是猜測是波形經過較多級數的電路處理。導致波形產生一些不可預料的毛刺產生。
解決方法:在波形輸出端接地并接一個小容量瓷片電容，從而理論上達到去除毛刺，圓滑波形曲線的目的。
效果:波形的毛刺大部分被過濾掉，波形更加光滑圓潤。但是會導致輸出的正弦波幅值稍微有點下降。不過這些也在誤差的允許范圍內。所以，問題得到解決。

加電容前后波形對比圖

3.3 測試數據的記錄與分析

4.制作與調試

4.1元件清單
4.2實物照片

5.心得體會

經過了一段時間的努力終于完成了波形發生移相器作品的設計。從芯片的選擇，再到電路的設計與實現。在這個過程中我學習到了很多在課本上不能學習到的知識。在此次的波形發生移相器作設計過程中，我更進一步地熟悉了芯片的結構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際運行情況，能夠讓人簡單快速更換元器件和修改元器件的參數調節電路。極大提高了電路設計的效率。然而，仿真不能夠很好地模仿外界現實生活中的不可預料的干擾。仿真僅僅是電路原理的推測和設計的初步驗證，歸根結底還僅僅是停留在理論層面。而實物的制作才是對理論的最好驗證。有了仿真電路圖可以更快地將作品實物給做出來，而實物的制作才是整個項目的最終目的。往往，按照電路圖接的實物電路并不能夠直接運行。因為現實生活中的電阻，電容，三極管，芯片等元器件的參數和特性都會有很大的誤差。元器件越多，誤差積累越多，結果也就越不符合預期。所以實際的電路還是要經過不斷的調試和修改才能得到期望的結果。值得注意的是，我們的電路是按照模塊化進行設計的，我們焊接電路的過程中并不能一次就將整個電路一起焊接出來，這樣子往往會出現很多錯誤，一旦出現太多的錯誤，那么在問題定位的分析的過程中將會十分艱難，往往讓人無從下手。個人認為較好的辦法就是，一個一個電路模塊焊接，分別確保每個模塊工作正常，再由輸入到輸出依次將各個模塊給組合起來。這樣的做法能夠極大縮小錯誤產生的范圍，容易定位問題所在。從而極大提高了電路實物成功運行的概率。

總結這次的課程設計我學到了主要有如下幾點:
1.提前做好準備工作在開始動手之前，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計。
2.分析和解決問題的思維。設計與實現的過程中我們難免會遇到一些不可預料的困難。當我們遇到問題的時候絕對不能慌。而要保持頭腦清晰，沉著冷靜地對待問題。發現問題–定位問題–分析問題–解決問題。整個流程思路清晰明了。一步一步按照流程操作，將問題逐一擊破。
3.團隊合作，不懂請教。這次課程設計培養了團隊合作，有些時候我們也需要別人的幫助，比如說當我們把元器件連接錯的時候，自己-一個人很難找到錯誤，就需要別人幫忙，無形中培養了團隊合作的精神。有的時候可能遇到一些問題自己不能解決，這時我們應該虛心像同學請教，只能這樣，才能更好的解決問題。

6.參考文獻

1.閻石主編《數字電子技術基礎（第六版）》，清華大學電子學教研組
2.楊素行主編《模擬電子技術基礎簡明教程（第三版）》，清華大學電子學教研組
3.張莉萍等編著《電子課程設計使用教程》，清華大學出版社

總結

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 相位调节的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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