课程设计——波形发生器

1.概述波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。本课程采用采用RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。简易波形发生器12．设计方案采用RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。文氏桥振荡器产生正弦波输出，其特点是采用RC串并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率f=1/2πRC.改变RC的值，可得到不同的频率正弦波信号输出。用集成运放构成电压比较器，将正弦波变换成方波输出。用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波。原理框图如图2-1图2-1设计方案一框图文氏桥振荡器方波形成电路三角波形成电路频率选择控制直流电源简易波形发生器23.设计原理3.1正弦波产生电路正弦波由RC桥式振荡电路（如图3-1所示），即文氏桥振荡电路产生。文氏桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点而大量应用于低频振荡电路。正弦波振荡电路由一个放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。其振荡平衡的条件是AF＝1以及ψa+ψf=2nπ。其中A为放大电路的放大倍数，F为反馈系数。振荡开始时，信号非常弱，为了使振荡建立起来，应该使AF略大于1。放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有311RRfAv（Rf=R2+R1//D1//D2）且振荡产生正弦波频率Rcf210图中D1、D2的作用是，当Vo1幅值很小时，二极管D1、D2接近开路，近似有Rf＝9.1K＋2.7K＝11.8K，，Av=1+Rf/R1=3.3=3,有利于起振；反之当Vo的幅值较大时，D1或D2导通，Rf减小，Av随之下降，Vo1幅值趋于稳定。简易波形发生器35.1KR19.1KR22.7KR315pFC215pFC1D1D2Vo185326741U1VCCVEE20KR420KR53-1正弦波产生电路3.2正弦波——方波产生电路如图,Vo1为正弦信号输入，经过迟滞比较器u2后输出方波Vo2。电路工作原理：运放同相端接基准电压，即U+=0,反相端输入电压Vo1，R8称为平衡电阻。当比较器的U+=U-=0时，输出Vo2从高电平跳到低电平,或从低电平跳到高电平。此时Vo276VVo1RRth由于Vo2=±Vz,可得上、下门限电压为Vz76VRRtVz76VRRt正弦波输入信号Vo1在上升到Vt+之前，Vo2保持不变，超过Vt+后Vo2翻转，直到Vo1下降到Vt-，Vo2再翻转，如此反复便形成Vo2方波输出。简易波形发生器45.1KR19.1KR22.7KR315KR82KR920KR710KR615pFC215pFC1D1D2Vo2Vo185326741U185326741U2VCCVCCVEEVEE20KR420KR5D3±10V图3-2正弦波——三角波产生电路3.3方波——三角波变换电路图3-3方波——三角波变换电路此电路由反相输入的过零比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增15KR82KR93KR1020KR715KR1110KR622pFC3Vo2Vo3Vo185326741U285326741U3VCCVCCVEEVEED3±10V简易波形发生器5长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un≥0,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un≤0,Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。±UT=±R2∕(R6+RW)U02mT=2R6(R6+RW)C3∕R7运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R6称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。由以上公式可得比较器的电压传输特性.当输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo3为214221()OOUUdtRRPCUo=+Uz,D5导通,D6截止，Uo3=-1/(R6C)Uz(t1-t0)+Uo(t0)Uo=-Uz,D6导通,D5截止,Uo3=1/(R6+Rw')Uz(t2-t1)+Uo(t1)可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度不相等的占空比可调的三角波.经计算，如果选R6=1k,则R7=10K，C=100nF.三角波图与方波图3-4所示：图3-4方波与三角波简易波形发生器63.4正弦波——方波——三角波发生电路图4-5完整波形发生器电路图5.1KR19.1KR22.7KR315KR82KR93KR1020KR715KR1110KR615pFC215pFC122pFC3D1D2Vo2Vo3Vo185326741U185326741U285326741U3VCCVCCVCCVEEVEEVEE20KR420KR5D3±10V简易波形发生器7D1470uFC1IN31OUT2GND470uFC2220V~36V~TIN31OUT2GND470uFC3470uFC4+15v-15v3.5电源电路设计制作方法是利用桥式整流器与稳压IC搭配适当规格之电容构成整流电路，将一般常用之220伏特电源转为±15Vdc之电源，其电路图如图8所示，220伏特电源经桥式整流器后，利用三端稳压IC7815与7915将电压值调整至±15Vdc，其中7815为正电压调整器用以稳定电压至＋15V,7915则进行负电压调整。图3-6供电电路简易波形发生器84主要元器件的工作原理及参数4.1变压器变压器是电子电路，用来升压降压的电力变压器，变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。分别叫作变压器的次级线圈和初级线圈。电流的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈），在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。变压器的主要参数：电压比n=U1/U2=N1/N2效率η=P2/P1*100%额定功率P4.2桥式整流电路桥式整流电路由四个二极管组成，如图4-1所示。图4-1桥式整流电路工作原理：U2正半周时:D1、D3导通，D2、D4截止U2负半周时：D2、D4导通，D1、D3截止++++41231u2u220V+-RLLuD21DD3D4简易波形发生器9主要参数：输出电压平均值：UL=0.9U2输出电流平均值:IL=UL/RL=0.9U2/RL流过二极管的平均电流：ID=IL/2二极管承受的最大反向电压：25V–1000V4.3三端稳压器该稳压器内部设有电流过流﹑过热和调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路简单，且安全可靠。4.4稳压二极管稳压器二极管也叫齐纳二极管，稳压原理：给稳压二极管施加反向电压并使其值增大，当反向电压之值达到稳压二极管的稳定电压时，其正常雪崩击穿，若在此情况下，一定范围内改变电源电压的波动或改变负载电流的大小，齐纳电流IZ和动态电阻随之而改变，然而，齐纳电压UZ却稳定不变。稳压二极管串联一个电阻来提供一个稳定的参考电压VREF，其中稳压二极管选用1N4735，其稳定电压为6.2V，限流电阻R13选用1K。稳压二极管1N4735的重要参数：最大工作电流IZM稳定电压UZ动态电阻RZ4.5集成运算放大器集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如下图4-2表示集成运放的内部电路组成的原理框图。简易波形发生器10图4-2集成运放的内部电路组成的原理框图如图4-2集成运放的输入级一般是由BIT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。偏置电路是为个级提供合适的工作电流。其代表符号和输入输出传输特性如图4-3所示。图4-3集成运放符号和传输特性电压放大级输出级偏置电流差分输入级VOVIVT+VT-简易波形发生器115.心得体会一周的课程设计很快就结束了，但其过程可谓曲折艰难，通过本周的课程设计，我认识到课本上的知识的实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考和解决实际问题的能力。这是我第一次做课程设计，给我留下了很深的印象。虽然只是短暂的一周，但在这期间，却让我受益匪浅。这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识，才能有清晰的思路，知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。就以这次课程设计为例，刚拿到题目的时候，大致看一下要求，根据平时所学的知识，脑海中就立刻会想到应该用到的元器件，然后再去图书馆去查这些元器件的资料，很快地初步方案以及大概的电路原理图就出来了。但是，在具体的细节设计上，我却不知道为什么，从而明白了自己基础知识掌握得不牢固。还好由老师的指导和同学们的帮助，才使我顺利的完成此次课程设计所以，这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外，更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺，让我坚定了以后努力学习知识的决心。简易波形发生器12参考文献[1]何小艇，电子系统设计.浙江大学出版社，2001年6月[2]姚福安，电子电路设计与实践.山东科技技术出版社，2001年10月[3]王澄非，电路与数字逻辑设计实践.东南大学出版社，1999年10月[4]李银华，电子线路设计指导.北京航空航天大学出版社，2005年6月[5]康华光，电子技术基础.高教出版社，2003简易波形发生器13D1470uFC1IN31OUT2GND470uFC2220V~36V~TIN31OUT2GND470uFC3470uFC4+15v-15v附录一总电路图5.1KR19.1KR22.7KR315KR82KR93KR1020KR715KR1110KR615pFC215pFC122pFC3D1D2Vo2Vo3Vo185326741U185326741U285326741U3VCCVCCVCCVEEVEEVEE20KR420KR5D3±10V简易波形发生器14附录二原件清单序号村料名称规格型号数量（个）1固定电阻2K122.7K133K145.1K159.1K1610