多种波形发生电路的设计

课程设计报告书专用纸第1页共11页课程名称：电子技术课程设计题目：一种简单的多种波形发生电路的设计系（院）：电子工程学院学期：08—09—2专业班级：姓名：学号：一种简单的多种波形发生电评语：成绩：签名：日期：课程设计报告书专用纸第2页共11页路的设计1引言运算放大器是模拟电路中的特殊放大器，只要适当选取外部元件，就能构成各种运算电路，如放大、加法、减法、微分和积分等，并因此而得名。自20世纪60年代集成运放问世以来，运放各个系列产品层出不穷，以价格低、性能优得到广泛应用，现已持续不断地渗透到模拟和混合模拟一数字电子学的各个领域。集成运放应用范围十分广泛，有基本放大电路、比较器电路、简单滤波器电路等。正弦波、三角波、矩形波等波形产生电路也可由此产生。在介绍运放组成相应电路的同时，也介绍一些典型的专用集成电路如集成测量放大器、单片有源滤波器、单片集成比较器及其应用电路等。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。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，锯齿波、方波的函数波形发生器。本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波-锯齿波函数发生器的设计方法，先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，再通过差分放大器形成正弦波，最后通过比较器形成锯齿波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。2设计目的（1）掌握方波—三角波——正弦波—锯齿波信号发生器的原理及设计方法。（2）掌握迟滞型比较器的特性参数的计算。（3）了解单片集成函数发生器的工作原理及应用。（4）能够使用电路仿真软件进行电路调试。（5）掌握电子系统的一般设计方法。（6）培养综合应用所学知识来指导实践的能力。（7）掌握常用元器件的识别和测试。（8）熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法。3设计内容及要求3.1课程设计的内容（1）该发生器能自动产生正弦波、三角波、方波，锯齿波。（2）函数发生器以集成运放和晶体管为核心进行设计（3）指标：输出波形：正弦波、三角波、方波，锯齿波频率范围：1Hz~10Hz，10Hz~100Hz课程设计报告书专用纸第3页共11页输出电压：方波VP-P≤24V，三角波VP-P=8V，正弦波VP-P＞1V；（4）对单片集成函数发生器应用接线进行设计。3.2课程设计的要求（1）提出具体方案（2）给出所设计电路的原理图。（3）进行电路仿真，PCB设计（4）输出波形的频率连续可调。（5）三角波输出波形幅值连续可调。（6）设计电路所需的直流电源。（7）用分立元件和运放设计的波形发生器要求先用pspice或ewb进行电路仿真分析，仿真结果正确后，在进行安装调试。4总体方案设计4.1原理框图4.2函数发生器的总方案函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波、矩形波及锯齿波、阶梯课程设计报告书专用纸第4页共11页波等电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波-锯齿波函数发生器的设计方法。产生矩形波、方波、三角波、锯齿波的方案有多种，本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成锯齿波和矩形波的电路设计方法本课题中函数发生器电路组成框图如上所示：由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到锯齿波的变换电路主要由比例运算放大器来完成，而三角波到矩形波的变换主要是通过比较器和积分器来实现的。5单元电路的设计5.1方波发生电路的工作原理集成运放A，电阻R1,R2,R3和双向稳压管组成反向滞回比较器，起开关作用；RC电路起反馈和延迟作用，电容C连到A的反向输入端，以控制滞回比较器的工作状态。滞回比较器输出电压Uo有两个工作状态：高电平+Uz和低电平-Uz，两个状态的翻转是通过RC电路的充放电改变滞回比较器的输入实现的。假设t=0时，电容C上电压Uo为0，输出电压为高电平，即Uo=+Uz，则集成运放同向输入端的电位U+=滞回比较器的第一阈值电压Uth1，即U1={R1/(R1+R2)}*Uz。输出端的高电平通过电阻R对电容C充电，电容电压Uc上升到略大于Uth1时，集成运放方向输入端电位U-大于同向输入端电压，输出电压发生越变，从高电平变为低电平；于是集成运放同向输入端电压立即变为第二阈值电压Uth2，即U+=【-R1/(R1+R2)】*Uz，输出电压变为低电平后，电容C将通过R先放电再充电，电容电压Uc随时间下降，放电过程如下图（a）虚线所示。当Uc下降到略小于Uth2时，集成运放反向输入端电位小于同向输入端电位，滞回比较器输出状态发生另一次越变，输出电压从低电平重新跳回到高电平。C又重新充电，周期性地重复上述过程。在电路稳定以后，电容C的充放电时间常数相等，并且两次越变时电容电压变化的幅值也相等，所以在一个周期内Uo的高低电平时间相等，即Uo是连续的方波。如（b）所示。课程设计报告书专用纸第5页共11页方波发生电路图5.2方波---三角波转换原理课程设计报告书专用纸第6页共11页方波三角波转换电路图波形图电压传输特性在图所示电路中，积分电路的输出电压Uo作为滞回比较器的输入电压，而滞回比较器的输出电压Uo1又作为积分电路的输入电压；由于采用反向电路取代RC电路，为满足相位关系，该电路选用同向滞回比较器。分析同向滞回比较器可得其输出高低电平和阈值电压Uoh=+Uz,Uol=-Uz;Ulrl=+R1*Uz/R2Uth2=-R1*Uz/R2当滞回比较器输出电压Uo1为高电平+Uz时，+Uz将通过电阻R对积分电容C反向充电，充电电流为-Uz/R，输出电压Uo按线性规律下降，当下降到滞回比较器的第二阈值电压时，集成运放A1的同向输入端电位U+=U-=0，再略下降就使得U+U-，滞回比较器状态翻转，U01从+Uz下降到-Uz。此后，积分电容正向充电，充电电流为Uz/R，Uo按线形规律上升。当上升到滞回比较器的第一阈值时，A1的U+=U-=0，再略上升就使得U+U-，U01从-Uz越变回到+Uz，电容又开始反向充电。如此周而复始，产生振荡。由于积分电路反向积分和正向积分的电流大小相等，使得UO在一个周期内的下降时间和上升时间相等，且斜率的绝对值也相等，因而U0是三角波，U01是方波，波形如上图所示。5.3三角波转化为锯齿波产生原理如果把三角波输入到一个比例系数可控的比例运算电路，在三角波上升的半周期内，令运算电路的比例系数为1，事输出电压Uo的波形保持三角波的原有波形不变，而在三角波下降的半周期内，令运算电路的比例系数为1，使Uo的波形与原有波形反向，则Uo将为锯齿波。利用结型场效应管组成的电子开关实现了比例系数的可控性。当T得栅极电压为Uc为负，且幅值超过场效应管夹断电压时，T夹断。如果在输入三角波课程设计报告书专用纸第7页共11页电压U1上升的半周期内使场效应管的栅极控制电压Uc为负半周，则T夹断，根据虚短和虚断列出方程组如果在u1下降的半周期内，uc为正，则T导通，电路等效为集成运放A同向端接地的反向比例运算电路。所以达到了三角波变锯齿波的目的。锯齿波电路和波形5.4矩形波发生电路课程设计报告书专用纸第8页共11页电路如图，它由迟滞比较器和积分电路构成。二极管D1和D2将将电容C的充电和放电电路分开，这样就可以通过改变电位器RP1滑动点的位置来改变电容C的充电和放电的时间常数，最后达到调节矩形波的目的。电位器RP1的滑动点将RP1分为RP*和RP@两个部分，而忽略二极管D1,D2的导通电阻，则电容C充电回路的电阻为R+RP@,,而放电回路的电阻为R+RP*。如果RP@RP*，则充电快而放电慢；即电容C充电时间T1小于放电时间T2，波形如上图所示。如果反向调节RP1，则情况正好相反。可以求得6电路的参数选择及计算6.1.方波-三角波中电容C1变化将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，可得出波形。实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。课程设计报告书专用纸第9页共11页6.2参数的选择频率：0～10MHz（正弦波、矩形波），0～200kHz(其它)，除干扰·DC电源：AC100v/120v/200v/230v+-10%(自动切换)电压设定量程：峰值±0.1V/±1V/±10V（分辨率0.01mV～1mV）最小负载阻抗：40Ω输出阻抗：50Ω±2%（DC）上升与下降时间：45ns以内（10～90%，设定为通过过滤器，矩形波）7总电路图先通过比较器产生方波，再通过积分器产生三角波，然后通过比较器形成锯形波，再通过比例运算放大器将三角波转换为锯齿波。图所示电路由四运放和少量电阻电容组成。以集成运放为核心器件可将图分为四个部分。设集成运放输出电压最大值为+Uom，最小值为-Uom。A1工作在开环状态，且同向输入端接地，组成过零比较器。其输出高低平决定于集成运放输出电压的幅值。A2,R1,C1组成积分电路，其输出电压为U02=-U01（t2-t1）/R1C1+U02(t1).A3组成电压比较器为单限比较器，其阈值电压为-Uref,输出电平为2U0，输出低电平为-Uom.A4、R2、C2组成积分电路A1及A2的电压传输特性课程设计报告书专用纸第10页共11页8系统所需的元器件1模电实验箱2双踪示波器1台3交流毫伏表4数字频率计5uA741*26电阻电容若干7实验板1台8二极管三极管若干9参考文献[1]王远．模拟电子技术(第二版)[M]．北京：机械工业出版社，2000[2]谢自美．电子线路设计实验测试(第二版)[M]．武昌：华中科技大学出版社，2000[3]谢云．现代电子技术实践课程指导。机械工业出版社[4]童诗白．模拟电子技术[M]．清华大学出版社[5]高吉祥电子技术基础试验与课程设计国防科技大学[6]曾建唐．电工电子实践教程[M]．北京：机械工业出版社，200210心得体会为期两个礼拜的课程设计转眼就结束了。在这两个礼拜的时间里，我收获的不仅是知识，更是一种研究的精神。一开始，我根本什么都不会，以前虽然学习了电路和低频电子线路，但是那只是照本宣科，只能应付得了考试，让我根据所学知识设计东西还真是头一回。没有实战经验的我，只能到图书馆把相关的书籍都翻了出来，然后一点一点地了解。通过这次课程设计，我有以下几点体会：一、温故而知新。课程设计发端之始，思绪全无，举步维艰，对于理论知识学习不够扎实的我深感“书到用时方恨少”，于是想起圣人之言“温故而知新”，便重拾教材与实验手册，对知识系统而全面进行了梳理，遇到难处先是苦思冥想再向同学请教，终于熟练掌握了基本理论知识，而且领悟诸多平时学习难以理解掌握的较难知识，课程设计报告书专用纸第11页共11页学会了如何思考的思维方式，找到了设计的灵感。二、团结就是力量。课程设计的过程中确实有很多拦路虎，但是每组有九个人的我们充分利用人力资源，明确分工，积极合作。三个臭皮匠也顶过一个诸葛亮，更何况我们有就个人呢。通过大家共同的努力，再困难的事情也能迎刃而解了。三、实践出真知。通过历史的学习，我一直谨记其中的一句话：实践是检验真理的唯一标准。以前虽然理解但却没有能够亲身体验这句话。通过这一次课程设计，在设计的过程中，我们自己动手动脑，验证了这一话的正确性。四、创新求发展。“创新”目前在我国已经提升到国家发展战略地位，足见“创新”的举足轻重。因此，我们要从小处着手，顺应时代发展潮流，在课程设计中不忘在小处创新，未必是创新技术，但凡创新思维亦可，未必成功，只要实现创新思维培育和锻炼即可。五、过而能改，善莫大焉。至善至美，是人类永恒的追求。但是，不从忘却“金无足赤，人无完人”，我们换种思维方式，去恶亦是至善，改错亦为至美。在课程设计过