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## 风小松

移相信号发生器

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1.设计任务、要求以及文献综述

利用正弦震荡理论，实现一个正弦信号发生器，并利用积分微分电路进行移相。 原理图如下所示。

设计要去如下：
(1) 输出A,B两路正弦输出，幅度：≥100mV；
(2)频率：100kHz;
(3)相对于A路，B路的相位：-45°–45°可调；
(4)频率稳定度：≤0.0001（1000ppm）；
(5)没有明显失真。
此外，可扩展功能，如幅度可调、频率可调等。

2.原理叙述和设计方案

2.1 设计方案选择和论证
本次的课程设计要求是设计一个移相信号发生器，实现信号的发生和移动，所以移相信号发生器首先使用LM555CN作为信号的发生，通过这个芯片，可以实现矩形波的产生，然后通过LM324AD运算放大器进行积分，这时候可以把在矩形波积分变为三角波，在变为三角波后再用一个LM324AD运算放大器进行积分，变为了正弦波，最后再用一个LM324AD运算放大器继续进行积分，通过这样就把正弦波变为了余弦波，实现了移相的功能。

方案一
1.矩形信号电路:
LM555CN芯片，电源电压(DC)4.50V (min)，额定电流，15.0 A，针脚数，8。能发生矩形波信号，并能进行占空比的调试。
2.波形转换，移相电路:
通过使用LM324AD运算放大器进行积分，能把波形进行变换，首先是使用一个运算放大器进行积分，能把来自LM555CN芯片的矩形波进行变换，变成了三角波，然后再用一个运算放大器进行积分，就能把三角波变为了一个正弦波，最后再用一个运算放大运算放大器进行积分，则由正弦波变为了余弦波，这样就能实现了波形的移相功能。
3.控制电路:
使用一个LM555CN芯片，和四个LM324AD运算放大器，和若干个可变电阻，电阻和电容进行组成，通过调节与OUT接口出来的可变电阻的大小便可以调节矩形波Y轴位移的大小，通过调节DIS接口的可变电阻则可以调节X轴的位移的大小。通过调节运算放大器的-接口出来的可变电阻则可以实现调节波形变换的大小。同理调节其他运算放大器的可变电阻可以调节波形的变换，和相位的移动。
4.结果显示:
通过计算可变电阻电容的大小，可以计算出在满足目标要求在1K赫兹以上所需的电阻电容的大小，能实现了矩形波的发生，通过计算并调节其他电阻电容的大小，也能实现了+45°到-45°的波形的移相。
方案二
使用2个比较器，1个RS触发器，1个继电器，还有电阻电容，电位器组成的一个占空比可调的矩形波发生器。移相电路则是使用电阻电容桥式移相电路进行移相。
其他电路基本保持不变。
两个方案的对比:
两个方案对比，明显方案一优于方案二，方案二要多加一块继电器和一块电位器，这样无疑增加了电路的成本，且方案一的连接较为简单，当实验室没LM555CN芯片可用时我们可以用方案二代替方案一。所以在方案的选择上一般选择方案一。
设计方案论证:
改控制系统的输入，在移相的时候，方案二所用的电阻电容桥式移相电路所以行的移相，只能实现部分的移相功能，不能满足本课程设计在-45°到+45°的移相要求。而方案一则能实现此要求。
2.2电路的功能框图及其说明

首先通过使用一个LM555CN芯片进行矩形波的产生，使用第一个LM324AD运算放大器进行积分，能把矩形波进行变换，变为三角波，然后使用第二个积分器进行积分，把三角波变为正弦波，使用第三个积分器进行积分，变为余弦波。最后两个运算电路是用来进行超前移相和滞后移相。
2.3功能块及单元电路的设计、计算
(1)矩形波控制电路:
通过使用若干个电阻，可变和电容以及 LM555CN芯片的组合，组成矩形波信号发生器，实现频率在1K赫兹以上的波形。电路图如下所示。

计算公式如下：
F:1k赫兹。
由公式计算得R2=70KΩ。
(2)矩形波变为三角波电路-积分电路:
通过这一个积分电路把上一个电路所产生得矩形波变为三角波。电路图如下所示。

计算公式如下：
Ui=1.997V。C1=5.2nF。
经过计算得：R4=49KΩ

(3)三角波变为正弦波电路-积分电路
这一部分电路把上一个电路产生得三角波变为正弦波。电路图如下所示。

计算公式如下：
Ui=1V。C5=1uF。
经过计算得：R6=27KΩ

(4)超前移相电路
通过这一部分电路可以实现相位得超前。电路图如下所示

计算公式：

C8=0.075UF
R14=7KΩ
计算得R13=23KΩ；

(5)滞后电路
这一电路能实现相位得滞后，电路图如下所示

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

2.4总体电路原理图

3.电路的仿真与调试

3.1电路仿真测试
本作品使用muitisum软件进行仿真。仿真过程中555芯片产生的方波脉冲正常无杂波。脉冲波经过两次积分电路后产生的正弦波幅值和频率正常，波形正常无杂波。产生的正弦波经过超前移相电路和滞后移相电路之后通过调节滑动变阻器可以实现正弦波相位从-45度到45度之间的连续调节且调节相位过程中波形的幅度频率无明显变化且波形无明显失真。实现频率和幅值连续可调。

3.2调试中 出现的问题及解决方法
A.方波出现杂波问题
问题:555电路产生的方波用示波器检测，在上升沿和下降沿处有明显的毛刺。
问题定位:经过反复的调试和问题寻找定位，最终发现555定时器多稳态方波发生电路中少了一个电容，这个电容的作用就是增加电路的稳定防止产生杂波，因为在软件仿真调试过程中发现那个滤波电容在电路中没有实际的作用，增减对电路的波形没有任何影响。于是为了简化电路就决定将此电容删去。因为电脑软件的仿真很难处理实际中的误差影响因素，所以去掉电容之后仿真软件的波形并没有收到干扰。然而实际现实中的多种不确定因素会对作品电路产生很多意料不到的问题。将555波形发生电路焊接出来后发现方波有明显毛刺。
解决方法:将一个0.01u的电容重新接到响应的引脚上。
效果:毛刺问题得到解决。方波很完美。

下图为加了电容后的方波

B.三角波毛刺问题
问题:555电路产生的方波经过一次积分后得到的三角波的波峰处有明显的长竖直毛刺。
问题定位:首先检查积分电路接线是否错误。发现电路无误之后用示波器观察积分电路方波输入端口的方波是否有问题。经过检测发现方波很完美，没有明显毛刺等问题。此时又继续检测lm324芯片是否有故障，先在通电运行同事用手感受芯片的温度，温度正常。进一步检测芯片，将同种lm432芯片替换原有lm324芯片之后三角波依然有明显毛刺，同样的问题还在，没有任何改变，可以排除芯片烧毁的可能。经过一番的检测和向老师的求助仍然无果。没有放弃对问题的寻找定位。最终突然发现波形通过的一根杜邦杜邦线有问题，此杜邦线外观正常，但是内部线路断裂导致线路接触不良产生较大的毛刺干扰信号。
解决方法:将坏杜邦线更换新的杜邦线。
效果:产生的三角波正常，没有明显的毛刺。问题得到解决。

下图为三角波毛刺杂波图

C.电路移动相位问题
问题:产生的正弦波经过移相电路之后超前电路不工作，波形不能够超前移动相位，只能滞后移动和调节相位。
问题定位:首先检查相位超前电路接线是否错误。发现电路无误之后用示波器观察相位超前电路电路方波输入端口的方波是否有问题。波形幅值没有问题，在设定的值内，波形无明显变形。此时怀疑自己产生的正弦波由于某些不确定因素从而导致移相电路不正常工作。于是将相位移动电路输入接口接到函数发生器上，用函数发生器产生更加标准的正弦波输入到电路中。示波器观察输出波形仍然和不用函数发生器之前一样。所以排除本电路产生正弦波不标准的问题。这时候项目陷入了困境。问题得不到解决。检查软件仿真无误，反复调试仿真各个元器件的数值，模拟猜测问题出现的方向。经过一番检查和软件与实物结合的调试检查后仍然无果。仿真可以完美运行，但是实物却完全达不到想要的效果。问题无法定位。
解决方法:改变方案，修改电路，将相位超前移动电路中用于防止调节相位过程中导致波形幅值改变的的电压跟随器去掉。直接用电阻和电容串联改变相位的方法进行相位超前变化。
效果:波形成功相位超前45度移动。问题得到解决。

相位超前45度图

相位滞后45度

D.电路最终波形毛刺较多问题
问题:在电路的最终输出端口输出的正弦波产生较多比较明显的毛刺。
问题定位:经过反复检查和测试与查阅资料后仍然没有找到产生毛刺的根本原因。输入的正弦波信号也没有问题。于是猜测是波形经过较多级数的电路处理。导致波形产生一些不可预料的毛刺产生。
解决方法:在波形输出端接地并接一个小容量瓷片电容，从而理论上达到去除毛刺，圆滑波形曲线的目的。
效果:波形的毛刺大部分被过滤掉，波形更加光滑圆润。但是会导致输出的正弦波幅值稍微有点下降。不过这些也在误差的允许范围内。所以，问题得到解决。

加电容前后波形对比图

3.3 测试数据的记录与分析

4.制作与调试

4.1元件清单
4.2实物照片

5.心得体会

经过了一段时间的努力终于完成了波形发生移相器作品的设计。从芯片的选择，再到电路的设计与实现。在这个过程中我学习到了很多在课本上不能学习到的知识。在此次的波形发生移相器作设计过程中，我更进一步地熟悉了芯片的结构及掌握了各芯片的工作原理和其具体的使用方法。软件仿真能够在很大程度上模拟电路的实际运行情况，能够让人简单快速更换元器件和修改元器件的参数调节电路。极大提高了电路设计的效率。然而，仿真不能够很好地模仿外界现实生活中的不可预料的干扰。仿真仅仅是电路原理的推测和设计的初步验证，归根结底还仅仅是停留在理论层面。而实物的制作才是对理论的最好验证。有了仿真电路图可以更快地将作品实物给做出来，而实物的制作才是整个项目的最终目的。往往，按照电路图接的实物电路并不能够直接运行。因为现实生活中的电阻，电容，三极管，芯片等元器件的参数和特性都会有很大的误差。元器件越多，误差积累越多，结果也就越不符合预期。所以实际的电路还是要经过不断的调试和修改才能得到期望的结果。值得注意的是，我们的电路是按照模块化进行设计的，我们焊接电路的过程中并不能一次就将整个电路一起焊接出来，这样子往往会出现很多错误，一旦出现太多的错误，那么在问题定位的分析的过程中将会十分艰难，往往让人无从下手。个人认为较好的办法就是，一个一个电路模块焊接，分别确保每个模块工作正常，再由输入到输出依次将各个模块给组合起来。这样的做法能够极大缩小错误产生的范围，容易定位问题所在。从而极大提高了电路实物成功运行的概率。

总结这次的课程设计我学到了主要有如下几点:
1.提前做好准备工作在开始动手之前，我们要把各芯片件的功能弄清楚，以及如何拓展，只有把这些真正的搞懂之后才能顺利完成设计。
2.分析和解决问题的思维。设计与实现的过程中我们难免会遇到一些不可预料的困难。当我们遇到问题的时候绝对不能慌。而要保持头脑清晰，沉着冷静地对待问题。发现问题–定位问题–分析问题–解决问题。整个流程思路清晰明了。一步一步按照流程操作，将问题逐一击破。
3.团队合作，不懂请教。这次课程设计培养了团队合作，有些时候我们也需要别人的帮助，比如说当我们把元器件连接错的时候，自己-一个人很难找到错误，就需要别人帮忙，无形中培养了团队合作的精神。有的时候可能遇到一些问题自己不能解决，这时我们应该虚心像同学请教，只能这样，才能更好的解决问题。

6.参考文献

1.阎石主编《数字电子技术基础（第六版）》，清华大学电子学教研组
2.杨素行主编《模拟电子技术基础简明教程（第三版）》，清华大学电子学教研组
3.张莉萍等编著《电子课程设计使用教程》，清华大学出版社