波形发生器--课程设计报告

课程设计报告书波形发生器学院电子与信息学院专业班级学生姓名学生学号指导教师课程编号课程学分1起始日期2017波形发生器一、选题背景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、矩形波的函数波形发生器。二、方案论证1、设计题目要求1.1、功能要求1.1.1、同时三通道输出，采用正弦波、矩形波、三角波的级联结构；1.1.2、电源由稳压电源供给；1.2、指标要求：1.2.1、输出电压要求正弦波Vp-p10V、矩形波Vp-p10V、三角波Vp-p4V；1.2.2、输出波形频率范围为100Hz—2kHz；1.2.3、通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%；1.2.4、矩形波占空比可调整，调整范围：10%～90%；2、总体设计方案2.1设计思路根据模拟电子技术基础课程，可通过RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，通过比较器变换成矩形波，再通过积分电路变换成三角波；或者同过滞回比较器和RC电路组成的矩形波发生电路产生矩形波，通过积分电路变换成三角波，再用滤波法变换成正弦波。2.2设计方案满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出以下几种方案：2．2．1方案一①原理框图图2.2.1方案一原理框图②基本原理通过RC桥式正弦波振荡电路，产生正弦波，改变电阻R和电容C的值实现频率可调；通过单限比较器，产生矩形波，接入参考电压，通过改变与参考电压串联电阻的阻值，实现占空比可调；通过积分电路，产生三角波。2．2．2方案二①原理框图图2.2.2方案二原理框图②基本原理通过矩形波发生电路产生矩形波，改变阻值和电容实现频率可调，利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，改变电位器阻值实现占空比可调；通过积分电路产生三角波；通过低通滤波器产生正弦波。2.3方案论证与比较方案一中的RC桥式正弦波振荡电路，因为两个电位器阻值须相等才能实现减少失真，所以改变频率时，两个电位器的改变量必须相等，增加了调节的难度；方案二的滤波法要求三角波为固定频率或者频率变化范围很小，而题目要求频率范围为100Hz—2kHz，不符合要求；而若用折线法需要大量电阻与二极管，成本较高；综上所述，方案一在成本与指标实现上更具优势，所以采用方案一。三、单元电路设计3．1、RC桥式正弦波振荡电路3．1．1、RC桥式正弦波振荡电路及其工作原理或功能说明图3.1.1RC桥式正弦波振荡电路倘若存在频率f0，是电路产生的附加相移为±π，而且1FA，则电路将产生自激振荡。当趋近于3时，趋近于无穷大，表明电路即使在无输入的情况下，也会有频率为f0的输出电压，即电路产生了自激振荡。因为电路仅对频率f0的信号放大，而对其他频率的信号迅速衰减为零，所以输出频率为f0的正弦波。3．1．2、RC桥式正弦波振荡电路元件的选取与计算3.1.2.1、确定R、C的值由于要求频率范围为100Hz—2kHz，选取1kHz为中心频率。由于得到①②AupAuf401059.121RCfHz1000RC21f0为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响，应使R满足下列关系式：RiRRo，一般Ri约为几百千欧以上，Ro仅为几百欧以上。故确定R=16KΩ，则C=10nF。3.1.2.1、确定R1、R3RC选频网络对于中心频率f0的放大倍数为，而回路起振条件为1FA。故放大电路的电压放大倍数，即，取。而d4frRR其中，dr为二极管的正向动态电阻。为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路应该满足直流平衡条件，即：K16R//RRf31综上所述：由K16R//RRf31d4frRRrd≈5.1KΩ得：R1=24kΩRf=48kΩR4=42.9kΩ(经实验室实际调试，取41kΩ)3．2、单限比较器电路3．2．1、单限比较器电路及其工作原理或功能说明图3.2.1单限比较器电路③④⑤2RR3f3RRRA31331F2RR3f2RR3f根据叠加原理，集成运放反向输入端的电位REF655I656NURRRuRRRu令0uuPN，则求出阈值电压REF65TURRU当TIUU时，ＰＮ＜ＵU，所以ＯＭＵOU，ZOHOUUu；当TIUU时，PNuu，所以ＯＭＵOU，ZOLOUUu。只要改变参考电压的大小和极性，以及电阻R5和R6的阻值，就可以改变阈值电压的大小和极性。3．2．2、单限比较器电路元件的选取与计算为了节省元件的使用，直接使用运放工作电源作参考电压电源；由于输入信号的频率与振幅都会影响R5、R6的取值，经试验R5取100KΩ的电位器，R6取200kΩ时满足占空比范围10%~90%的指标；R7作保护电阻，取2KΩ。3.3、积分电路3．3．1、积分电路及其工作原理或功能说明3．3．1积分电路由“虚地”，电容电流等于电阻R8电流，所以得到积分电路公式：又公式可知，当输入为矩形波时，输出为三角波。3．3．2、积分电路元件的选取与计算为使三角波不出现顶部失真，应使用较大的电容，这里选取0.1μF的电容；经试⑦⑥⑧）（）（1021I0tuttuRC1u验调试，R选取为5KΩ的电位器调节时，既能使波形保持不失真，又便于调节；为了防止低频信号增益过大，在电容上并联一个电阻加以限制，经调试，取阻值为30KΩ效果最好。3.4、稳压电源电路3．4．1、稳压电源电路及其工作原理或功能说明图3.4.1稳压电源电路稳压直流电源是将220V交流电力转换为直流的电路或装置，为电子设备提供能量。小功率直流稳压电源由以下四部分组成：变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。1)电源变压器是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定；2)整流电路利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电。在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电流等于输出电流的平均值的一半。电路中的每只二极管承受的最大反向电压为2U2(2U是变压器副边电压有效值)。3)滤波电路可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。4)稳压电路主要由78系列（输出正电压）和79系列（输出负电压）构成。3．4．2、稳压电源电路元件的选取与计算变压器的原、副边匝数比：；查询1N4001的反向击穿电压为50V22V，符合要求；整流电路输出电压为22V；电容的值应满足：C(T*I)/(2U),一般选择电容的值为C=(3-5)(T*I)/(2U).其中T为输入正弦信号的周期，我们现在用的市电频率都为50Hz,故有其周期为T=1/f=0.02s,I为三端稳压器的最大输入电流，U为三端稳压器的最小输入电压10122022NNUU1212（22V），带入各项计算得：C=1817uF，取2000uF。四、整机电路4.1整机电路图图4.1整机电路图4.2元件清单名称型号数量电阻2KΩ124KΩ130KΩ148KΩ1100KΩ1200KΩ1电位器5KΩ1100KΩ3电容10nF20.1μF1二极管1N40012稳压管5.1V2单刀双掷开关1运放UA7413五、性能指标的测量与分析5.1电路测试5.1.1测试使用的仪器示波器数字万用表5.1.2电路调试步骤①连接电路，用示波器按顺序查看正弦波，矩形波，三角波波形；②在出问题的电路单元查看导线连接是否正确；③检查UA741芯片静态工作点电压是否正常；④检测并调节电位器电阻；5.1.3测量数据与分析正弦波频率（Hz）Vpp（V）98.771011.91549.61912.76987.96727.111.511K25.842.106K15.79矩形波频率（Hz）占空比Vpp（V）98.771010%12.4850%12.2390%12.61987.96710%12.5550%12.2190%12.442.106K10%12.2350%12.2590%12.20三角波频率（Hz）Vpp（V）99.4438.642.096K10.96数据分析：所测得数据振幅均满足“输出电压要求正弦波Vp-p10V、矩形波Vp-p10V、三角波Vp-p4V”的条件；输出波形频率范围超过100Hz—2kHz；矩形波占空比实现10%～90%范围内可调整。5.1.5电路波形图图5.1.5.1频率100Hz，占空比10%图5.1.5.2频率100Hz，占空比50%图5.1.5.3频率100Hz，占空比90%图5.1.5.4频率1KHz，占空比10%图5.1.5.5频率1KHz，占空比50%图5.1.5.6频率1KHz，占空比90%图5.1.5.7频率2KHz，占空比10%图5.1.5.8频率2KHz，占空比50%图5.1.5.9频率2KHz，占空比90%图5.1.5.10频率100Hz三角波图5.1.5.11频率1KHz三角波5.1.5故障分析及处理RC桥式正弦波振荡电路无波形输出，检测导线无错误，用万用表检测运放工作电压，发现不正常，查看运放供电电压后发现，电源没有接地，接地后，有波形出现；但是输出的波形失真，检查导线无错误后，用数字万用表检测并调节R1、R2至阻值相等后，波形不再失真。单限比较器电路无波形输出，检查导线连接无误后，调节电位器R5阻值，矩形波逐渐出现。积分电路输出三角波出现失真，用一值为100KΩ的电阻并联电容C3，波形失真减少，改用150KΩ与50KΩ电阻，发现用50KΩ的效果更好，以此法再试用其他电阻，发现30KΩ的电阻效果最好。5.2电路实现的功能和系统使用说明电路能实现三通道同时输出，可输出正弦波，矩形波，三角波；频率可在100Hz—2kHz范围内调节；矩形波的占空比可在10%～90%范围内调整。同时调节R1、R2即可调节频率；调节R5和参考电压极性，即可调节矩形波占空比。六课程设计总结拿到题目首先是看题目要求，回忆自己所学过的知识，思考如何实现，再网上找相关资料，用Multisim仿真，在面包板上搭建，调试。网上的资料质量参差不齐，通过这次课程设计，我更好的学会的判断与筛选；往往需要自己结合课本知识来重新计算，重新设计。仿真的成功不意味着搭建电路就好成功，在这次课程设计就遇到了波形失真，需要调整参数，接线错误，需要反复检查才能找到等问题。另外，询问同学和老师也是解决问题的好方法；在与同学和老师的讨论中，学到了很多个人经验积累的小技巧，收益匪浅。最后，通过这次课程设计，我对模拟电子电路的理论知识有了更深的了解，把理论运用于实际，也大大提高了我的动手能力。参考文献［1］童诗白，华成英.《模拟电子技术基础》．北京：高等教育出版社，2015.334~336,425~428