方案的选择和确定
(一)正弦波的产生
信号发生电路因不需要外加输入信号就有稳定的输出信号称为自激振荡电路,要产生振荡必须同时满相位条件和幅值条件
正弦波的产生有多种方法(通过已学的知识和查阅相关的资料得出如下结论):
DDFS数字频率合成
DDFS由相位累加器,正弦查找表,DAC和低通滤波器组成.参考时钟是一个稳定的晶振,相位累加器类似计数器,在每个时钟脉冲到来时,就输出一个相位增量即把频率控制字FSW的数据变成相位抽样来确定输出频率,相位增量随指令的不同而不同,用在数据寻址时,正弦查找表就把存储的值转换成正弦波幅度的数字量,DAC把数字量转换成模拟量低通滤波平滑并滤掉带外杂散后得到所需的波形
用FPGA实现只要在FPGA内建立一个正弦查找表,然后在外部时钟驱动下,读取正弦数据表中的数据,再送到高速DAC中进行数摸转换就可以得到正弦信号.
用简单的振荡电路
包括: LC振荡电路,RC振荡电路和石英晶振:LC和石英晶振电路产生的正弦信号频率较高。由于在本设计中,正弦信号的产生不是最终目的,只是其中一部分,而且要通过简单中小规模器件手工焊接实现.所以前两种方法虽然很好,但对于本设计不好实现.又因为要求得到的正弦信号频率为1HZ,不高,所以用RC振荡电路实现.
(二)波形变换
此设计要将正弦波变为 同频方波,想到可以用施密特触发器或过零比较器实现,两种方法都比较好实现,由于本学期刚学完数电,希望在实践中用一下,所以选用施密特来实现.用555连成的如下图;
(三)分频倍频
计数器的一个功能就是实现分频,本设计中要求实现十分频,可以选用十进制的计数器74LS160也可以用任意进制的计数器连成十进制的计数器.考虑到市场上160不好买且成本高,所以选用十六进制74LS161接成十进制来实现.
倍频电路通过查阅一些资料,选用锁相环来实现.
综上所述,确定下总体方案原理方框图如下:
单元电路的设计
文式桥式振荡电路
1.工作原理
RC振荡电路在没有外加输入信号情况下,依靠自激振荡产生正弦波,频率一般在200KHZ以下.通常连接方式有:桥式,移相,双T式三种.本设计采用文式桥式电路实现,电路图如下所示：
在此电路中 反馈信号代替输入信号,引入正反馈;要确定振荡频率,引入外加的选频网络.
起振条件
为：|AF|﹥1 平衡条件为|AF|=1，𝛹A+ 𝛹B=2𝜋N
在Rf回路中串联两个二极管,利用电流增大时二极管动态电阻小,电流减小时二极管动态电阻增大的特点,加入非线性环节,从而 使输出电压稳定
2.参数计算
(1)确定频率:按要求要产生1KHZ正弦波,所以由可知
rc然后先将电容确定下来,参考电容标称值,选为1μf=1 所以按标称值选与它最接近的值,故选为160Ω(2)满足起振条件
Rf 先确定,另则Rf
为稳定幅值加入反并的二极管,𝗥1=1.5, 𝗥2=9.1
(3)器件的选择
器件的选择原则:明确对所需器件的要求,按要求选择.
运放:书上和仿真时运放都是理想情况,增益无穷大,实际中不可能实现,选择时,时选增益稍大的如RC4558,像741就因增益不够大振荡不起来.
二极管:一般承受反压都可达到50𝗩故本设计不用考虑耐压问题,选择开关特性好一些的即可,如1N4148.
(二)施密特触发电路
用555连接成,引脚少,在焊接调试时减少隐患连接图如下所示:
在施密特的输入端加入正弦波,根据电路的电压传输特性,可对应得出同频矩形波.改变𝗩𝙩＋ ,𝗩𝙩－就可以调整输出的脉宽
（三）计数器
用十六进制计数器连成十进制计数器有两种方法：反馈置数法和反馈清零法。由于本设计需要用进位端连输出，所以选择用置数法。161引脚图和反馈置数法连十进制的图如下所示：
（四）锁相环
PLL锁相环构成的倍频器
CD4046工作原理如下：
输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器
A1进行放大、整形后加到相比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图1
开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo
与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压
UΨ则反映出两者的相位差。UΨ经R3、R4及C2滤波后得
到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整
VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输
出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比
较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位
锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与
上述相同，不再赘述。下面介绍CD4046典型应用电路。
图3是用CD4046的VCO组成的方波发生器，当其9脚输入端固定接电源时，电路即起基本方波振荡器的作用。振荡器的充、放电电容C1接在6脚与7脚之间，调节电阻R1阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波信号从4脚输出。按图示数值，振荡频率变化范围在20Hz至2kHz.
图4是CD4046锁相环用于调频信号的解调电路。如果由载频为10kHz组成的调频信号，用400Hz音频信号调制，假如调频信号的总振幅小于400mV时，用CD4046时则应经放大器放大后用交流耦合到锁相环的14脚输入端环路的相位比较器采用比较器Ⅰ，因为需要锁相环系统中的中心频率f0等于调频信号的载频，这样会引起压控振荡器输出与输入信号输入间产生不同的相位差，从而在压控振荡器输入端产生与输入信号频率变化相应的电压变化，这个电压变化经源跟随器隔离后在压控振荡器的解调输出端10脚输出解调信号。当VDD为10V，R1为10kΩ，C1为100pF时，锁相环路的捕捉范围为±0.4kHz。解调器输出幅度取决于源跟随器外接电阻R3值的大小。
图5用CD4046与BCD加计数器CD4518构成的100倍频电路。刚开机时，f2可能不等于f1。假定f2<f1，此时相位比较器Ⅱ输UΨ为高电平，经滤波后Ud逐渐升高使VCO输出频率f2迅速上升，f2增大值至 f2=f1，如果此时 Ui滞后 U0，则相位比较器Ⅱ输出UΨ为低电平。UΨ经滤波后得到的Ud信号开始下降，f2/N=f1，并且f2与f1的相位差Δφ=0°，进这就迫使VCO对f2进行微调，最后达到入锁定状态。如果此后f1又发生变化，锁相环能再次捕获f1，使f2与f1相位锁定。
直流稳压电源电路
输出电压V0=1.25（1+Rp/R1）,改变Rp的阻值就可以改变输
出电压，输出电压范围为1.2V~3.7C2用于抑制高频干扰；
C3作用是提高稳压电源纹质波抑制