一種基于虛擬實驗平臺的音頻信號發(fā)生器的開發(fā)與仿真設計

在大學開設的相關(guān)課程中，有不少電子技術(shù)方面的實驗內(nèi)容，但這些基礎實驗的著眼點是放在驗證基本理論和電路性能上。學生通過這樣的實驗只能初步了解電路實驗的步驟和基本方法，熟悉常用實驗設備的使用方法，卻很難有條件訓練學生動手解決電路問題的能力。而模擬電子技術(shù)課程設計正是為學生創(chuàng)造一個動手又動腦，獨立開展模擬電子系統(tǒng)設計的機會。學生可以運用實驗手段檢驗理論設計中的問題所在，又可運用學過的知識，指導電路調(diào)試工作，使電路功能更加完善，從而使理論和實際有機地結(jié)合起來，鍛煉分析并解決電路問題的實際本領(lǐng)，真正實現(xiàn)由知識向能力的轉(zhuǎn)化。

1 模擬電子系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，無論是在生產(chǎn)還是生活中，人們越來越多地使用一些模擬電子設備和裝置，如：擴音機、錄音機、示波器、正弦信號發(fā)生器、報警器、溫控裝置等。盡管用途不同，但從工作原理來看，有著共同之處：

1）需要輸入一種連續(xù)變化的電信號。這種連續(xù)變化的電信號稱之為模擬信號，模擬信號可以由專門的部件（通常為傳感器）把非電的物理量轉(zhuǎn)換為電量，例如：話筒、磁頭、熱敏器件、光敏器件等。也有些設備無需這種轉(zhuǎn)換，而是直接由探頭輸入或電路本身產(chǎn)生電信號，如示波器，信號源等。

2）必須把得到的電信號進行放大或者變換。通過放大或變換，使信號具有足夠大的能量，為實現(xiàn)人們所預期的功能服務。

3）設置了不同的執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)能夠把傳來的電能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量，如喇叭、電鈴、繼電器、示波器、表頭等，以完成人們需要的功能。

模擬電子系統(tǒng)中，無論是傳感器送來的電信號，還是直接輸入或電路本身產(chǎn)生的電信號一般都是十分微弱的，往往不能推動執(zhí)行機構(gòu)工作，而且有時信號的波形也不符合執(zhí)行機構(gòu)的要求，所以需要對這種信號進行放大或者變換，才能保證執(zhí)行機構(gòu)的正常工作。可見，信號放大和信號變換是模擬電子系統(tǒng)的核心。

隨著生產(chǎn)工藝水平的提高，線性集成電路和各種具有專用功能的新型元器件迅速發(fā)展起來，給模擬電子系統(tǒng)設計工作帶來了很大的變革。但是，從我國現(xiàn)有的條件來看，集成元件的生產(chǎn)，無論品種還是數(shù)量，還不能滿足電子技術(shù)發(fā)展的需求，所以，分立元件的電路還在大量的應用。而這種分立件電路的設計方法，主要是運用基本單元電路的理論和分析方法，比較容易為初學設計者所掌握。另外，有助于學生熟悉各種電子器件，掌握電路的設計基本程序和方法，學會布線、組裝、測量、分析、調(diào)試等基本技能。理論知識告訴我們，任何復雜的電路，都是由簡單的單元電路組合而成的。所以，要設計一個復雜的模擬電子系統(tǒng)，可以分解為若干具有基本功能的電路，如放大器、振蕩器、整流器、波形變換電路等，然后分別對這些單元電路進行設計。使一個復雜任務，變成簡單任務，利用我們學過的知識即可完成。

2 虛擬實驗平臺在模擬電子系統(tǒng)設計中的應用

電子系統(tǒng)的設計是一個不斷調(diào)試的過程。在實物上調(diào)試往往消耗大量人力、物力和財力。而且受到實驗環(huán)境的影響，某些功能未能全部實現(xiàn)。在實驗硬件環(huán)境不具備的情況下，采用虛擬實驗平臺軟件進行模擬電子系統(tǒng)的設計可有效解決這一問題。EDA（電子輔助設計）軟件很多，廣泛采用的有Multisim、PSPICE、PROTEL等。這些軟件都有較強的功能，一般可用于電路設計與仿真，同時也可以進行PCB（印刷電路板）自動布局、布線，輸出多種網(wǎng)表文件。其中，Multisim仿真軟件相對其它EDA軟件而言，功能卜分強大，可以仿真出真實電路的結(jié)果。而且提供了萬用表、示波器、信號發(fā)生器、掃描儀、邏輯分析儀、數(shù)字信號發(fā)生器、邏輯轉(zhuǎn)換器等工具。它不僅繼承了以往仿真軟件具有的界面直觀、操作方便、使用直觀的虛擬儀表的優(yōu)點，還將最新的安捷倫測試儀及泰克示波器等引入虛擬儀器中。其控制面板、界面操作以及測量結(jié)果與實際的儀器完全相同，用戶使用Multisim10如同在實驗室進行操作一般。這樣就可以有效的解決實驗條件不足的問題，并且可將集中進行的課程設計分散進行，便于老師的指導與調(diào)試。作為虛擬的電子工作平臺，Multisim10提供了詳細的電路分析手段，可完成電路的直流靜態(tài)工作點分析、交流分析、瞬態(tài)分析等，有助于分析電路性能。

3 模擬電子系統(tǒng)設計實例——音頻信號發(fā)生

音頻信號發(fā)生器是指能夠產(chǎn)生音頻范圍的正弦信號的儀器。音頻信號的頻率范圍一般是幾十到幾十kHz，音頻信號發(fā)生器是模擬電子線路實驗中不可缺少的設備之一，在實踐和科技領(lǐng)域有著廣泛的應用，如電子電路、自動控制和科學實驗等領(lǐng)域。自行設計和制作一個能產(chǎn)生音頻信號的電路，不僅能運用所學知識，學會設計簡單電路的技能，而且對電子技術(shù)實驗有著很大的實用價值。

3．1 方案比較

一般要產(chǎn)生幾十kHz以下的正弦信號，常用的信號發(fā)生器多是由模擬電路構(gòu)成的，包括正弦波振蕩器和穩(wěn)幅電路兩大模塊。其中正弦波振蕩器有LC振蕩器，石英晶體振蕩器，RC振蕩器。LC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以上的正弦信號，RC振蕩器用于產(chǎn)生1 MHz以下的正弦信號，石英晶體振蕩器用于產(chǎn)生頻穩(wěn)度較高的正弦信號。

經(jīng)性能比較，RC振蕩器較為合適。RC振蕩器可分為相移式振蕩電路，串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡振蕩電路，雙T選頻網(wǎng)絡振蕩電路等。其中RC串并聯(lián)網(wǎng)絡振蕩電路由放大器和正反饋網(wǎng)絡兩部分組成，由于能得到頻率范圍較寬、波形較好，且連續(xù)可調(diào)的振蕩信號，其結(jié)構(gòu)簡單又經(jīng)濟方便，因此應用最為普遍。因為這種振蕩器，選頻網(wǎng)絡和負反饋電路正好形成一個四臂電橋振蕩器，又被稱為文氏電橋。用有恒流源負載的射極輸出器，設計出頻率范圍在200 Hz-20 kHz，電壓輸出《±3 dB，輸出電壓》2 V并且連續(xù)可調(diào)的信號發(fā)生器。

3．2 系統(tǒng)設計

3．2．1 放大電路的設計

放大環(huán)節(jié)是振蕩電路的核心。它的放大倍數(shù)和頻率響應直接影響著起振條件和振蕩器的穩(wěn)定性。為了保證具有較高的開環(huán)增益，較好的頻率響應，本設計中選用了LM324AJ集成運放作放大環(huán)節(jié)。它是一種應用非常廣泛的通用型運算放大器。由于采用了有源負載，所以只要兩級放大就可以達到很高的電壓增益和很寬的共模及差模輸入電壓范圍。本電路采用內(nèi)部補償，電路比較簡單不易自激，工作點穩(wěn)定，使用方便，而且設計了完善的保護電路，不易損壞。

3．2．2 穩(wěn)幅電路的設計

穩(wěn)幅的基本原理就是把信號放大要足夠大，再通過限幅方式保證輸出幅度一致，如果限幅后的信號不滿足要求，則再通過信號調(diào)整電路來輸出滿足要求的等幅信號。用雙向穩(wěn)壓二極管穩(wěn)幅是最簡單的方式。本設計中由于電源電壓的波動、電路參數(shù)的變化、環(huán)境溫度的變化等因素的影響，將使輸出幅度不穩(wěn)定。采用一般的電阻引入負反饋穩(wěn)幅還不夠，常用方法之一是采用非線性熱敏元件來穩(wěn)幅。如負溫度系數(shù)的熱敏電阻，就可實現(xiàn)穩(wěn)幅。

3．2．3 選頻網(wǎng)絡及正反饋網(wǎng)絡的設計

正反饋電路主要是由文氏電橋組成。當振蕩器穩(wěn)定工作時，文氏橋正反饋系數(shù)F=1／3要保證電路穩(wěn)定工作。

振蕩器的振蕩頻率主要由RC值決定的。本設計要求f=200 Hz～20 kHz，當確定C后，改變R值從最小到最大，應滿足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達不到阻值。若高頻率達不到要求，則可適當減小串聯(lián)電阻680 Ω的阻值。當選定C后，應通過改變R實現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)。R的最小值受運放輸出阻抗控制，最大值受分壓器的值限制。當選用雙連電位器來調(diào)節(jié)頻率時，其上下頻率范圍如果選的頻率覆蓋太寬，不僅受上述電阻值限制，而且調(diào)節(jié)也不方便。本題中可選取兩個電容值作為粗調(diào)，再求出R的變化范圍，用電位器實現(xiàn)細調(diào)。正弦波振蕩器的振蕩頻率為

此處選取C為0．1μF時，分別求出對應f在200Hz～2 kHz；2～20 kHz的電阻值。

選取680Ω電阻同8．2 kΩ雙連電位器串聯(lián)實現(xiàn)電阻調(diào)節(jié)。

3．2．4 電路原理圖及參數(shù)

電路原理圖如圖1所示，電路參數(shù)如表1所示。

3．3 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

3．3．1 振蕩器電路粗調(diào)

振蕩電路如果設計和安裝無誤，接通電源即應起振。C3輸出端可以得到正弦信號，若無震蕩波形，一般有2個原因：一是無正反饋，二是閉環(huán)放大倍數(shù)小。首先檢查正反饋支路是否接通，元件是否連接正確。然后則可增大R1，提高閉環(huán)增益。若仍不起振，則應檢查運算放大器性能是否正常。如果增大R1后電路起振，說明負反饋太大，可適當加大R1使振蕩波形穩(wěn)定。正常情況下，改變R1能控制輸出幅度，調(diào)節(jié)雙連電位器能改變頻率，并且波形無明顯失真。

振蕩電路基本上正常工作后，測試射極輸出器靜態(tài)工作點是否與設計值相符。T2、T3均應處在導通狀態(tài)，VCQ3=8 V，若有偏離可適當調(diào)節(jié)R6。靜態(tài)調(diào)好后，連通C3，輸出端應有完好的正弦波形。若出現(xiàn)波形失真，說明射極輸出器靜態(tài)工作不適合，需要重新調(diào)試。

3．3．2 振蕩頻率調(diào)節(jié)

振蕩器的頻率主要由RC值決定的。當確定C后，改變R值從最小到最大，應滿足200 Hz～2 kHz或2～20 kHz的頻率范圍。若低頻端達不到要求，說明R4+R5對Rmax的旁路作用大，應適當加大R4+R5的阻值。若高頻率達不到要求，則可適當減小串聯(lián)電阻680 Ω的阻值。

3．3．3 調(diào)節(jié)幅頻特性

一個性能良好的振蕩器一定要有好的幅頻特性。即在調(diào)節(jié)振蕩頻率時，輸出電壓的幅度保持不變。若隨著振蕩頻率的改變，輸出幅度有些變化時，可能有以下幾方面原因：

1）雙連電位器不能嚴格同步。如果在調(diào)節(jié)電位器時，在不同的角度，2個阻值不相等，即文氏電橋中串聯(lián)網(wǎng)絡中電阻R和并聯(lián)網(wǎng)絡中的R不相等，使其傳輸系數(shù)

，正反饋加強，輸出幅度Vopp加大；若

，正饋減弱，輸出幅度Vopp減小。因此，幅頻特性變差。可見，一定要選擇能嚴格同步改變阻值的雙連電位器。

2）放大環(huán)節(jié)高頻特性不好。首先運算放大器高頻特性不好，就會隨頻率的升高，使Vopp減小。另外，運算放大器輸入電容太大，當f= fmax時，由于這一電容的旁路作用，使正反饋減弱，從而使高頻時Vopp降低，所以在選擇運算放大器時，一定要保證高頻特性好，同時要輸入電容小的器件。

3）R4+R5阻值不夠大。R4+R5應當選大于串并聯(lián)網(wǎng)路中的阻值最大值。這樣才可以忽略其對網(wǎng)絡旁路作用，尤其隨著振蕩頻率下降，R值較大時，R4、R5旁路作用嚴重。所以文式電橋傳輸系數(shù)使輸出幅度隨頻率下降而上升。此時，應R4+R5盡量大一些。

4）調(diào)節(jié)輸出幅度和波形輸出幅的VOPP主要由場效應管偏壓VGS和檢波二極管正向壓降以及分壓電阻R2、R3來決定。從

可知，當VD，|VGS|確定后，提高輸出幅度可適當減小

分壓比。若R2、R3以及VD確定了，只好適當選取零漂移點偏壓較大的場效應管。

波形非線性失真的大小，通常與倍壓檢波輸出的紋波大小和場效應管IDS～VDS曲線是否對原點對稱等因素有關(guān)。為降低振蕩波形的失真度，應適當加大檢波器的時間常數(shù)，選擇IDS～VDS比較理想的場效應管。同時還要注意選擇轉(zhuǎn)換速率SK較高，高頻響應較好的運算放大器，以便減小高頻時信號的非線性失真。如果輸出幅度Vopp太大，還會因運算放大器或射極輸出的動態(tài)范圍不夠而產(chǎn)生切波失真。此時，應注意減輕負載或減小輸出幅度。

利用Multisim軟件進行仿真分析，通過改變參數(shù)，得到需要的音頻信號。電路的起振過程及等幅振蕩過程如圖2和圖3所示。

4 結(jié)束語

基于虛擬實驗平臺設計的音頻信號發(fā)生器能夠得到頻率范圍較寬、波形較好，穩(wěn)定度較高，而且振蕩頻率連續(xù)可調(diào)，更加實用。由于Multisim實用性強、界面簡捷，同時又具有電路仿真速度更快，界面更加合理等優(yōu)點，是在校大學生進行模擬電子技術(shù)課程設計的有力工具。通過這種綜合訓練，學生可以初步掌握電子系統(tǒng)設計的基本方法，也能夠提高動手組織實驗的基本技能，為以后進行畢業(yè)設計打下良好的基礎。