三角波

编号：课程设计(论文)说明书课题：三角波——正弦波函数发生器设计学院：专业：学生姓名：学号：指导教师：年月日第1页共14页1摘要函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯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（如单片机函数发生器模块8038、集成运放管ua741、LM324）。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用集成运算放大器与比较器、积分器共同租成的方波——三角波正弦波——函数发生器的设计方法。关键词：振荡电路；比较器；积分器第2页共14页2目录引言………………………………………………………………………….....31设计任务及要求……………………………………………………..….…31.1课程设计的任务…………………………………………………………..…31.2课程设计的技术指标…………………………………………….….………32方案的论证和比较………………………………………………………....32.1可选方案………………………………………………………………..…...32.2方案选择及系统框图…………………………………………………..….….43单元电路原理及设计……………………………………………….….…..43.1方波发生电路的工作原理…………………………………………………..…43.2方波——三角波转换电路的工作原理………………………………………..…53.3三角波波——正弦波转换电路的工作原理………………………….….….……73.4总电路图………………………………………..….….….….….….….….…73.5电路的参数选择及计算………………………………………..….….….….…74multisim10辅助仿真及修正………………………………………...….….84.1方波——三角波转换电路的仿真………………………………………...….…84.2三角波——正弦波转换电路的仿真………………………………………...…..95制板及调试……………………………………………………………..…...95.1DXP注意事项……………………………………………………………..…...95.2制作pcb板的流程……………………………………………………….…..105.3注意事项……………………………………………………………….…....105.4调试…………………………………………………………………….…..105.5实测电路波形、误差分析及改进方法….….….….….….….….….….….….…10课设总结……………………………………………………………………….11谢辞………………………………………………………………….................12参考文献…………………………………………………………….................13附录………………………………………………………………………….....14第3页共14页3引言课程设计是理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。电子专业的学生，对函数信号发生器的设计，仿真，制作已成为最基本的一种技能，也是一个很好的锻炼机会，是一种综合能力的锻炼，它涉及基本的电路原理知识，仿真软件的使用，以及电路的搭建，既考验基础知识的掌握，又锻练动手能力。1设计任务及要求1.1课程设计的任务三角波——正弦波函数发生器设计。1.2课程设计的技术指标性能指标要求：（1）频率范围100Hz—1kHz;（2)输出电压Vpp=6v;（3)波形特性：非线性系数r2%.2方案的论证和比较2.1可选方案方案一采用锁相环式频率合成器。利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需要频率上。这种频率合成器具有很好的窄带跟踪特性，可以很好地选择所需要频率信号，抑制杂散分量，并且避免了量的滤波器，有利于集成化和小型化。但由于锁相环本身是一个惰性环节，锁定时间较长，故频率转换时间较长。而且，由模拟方法合成的正弦波的参数，如幅度、频率相信都很难控制。方案二采用传统的直接频率合成器。这种方法能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。方案三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第4页共14页4vo＋－C0.01FA741623R31kRF10kR110kR210kRP100kRDZ2DW7角波，三角波到正弦波的变换电路主要由低通滤波器来完成。本电路可以很好的结合已学的知识与实践，且输出波形幅度及频率均可通过改变元件参数进行调整，方便且成本较低。2.4方案选择及系统框图综合以上对各个方案优劣势的分析，最终选择了方案三做为本次课程设计的总设计方案。系统框图如下：方波三角波正弦波图1系统框图3单元电路原理及设计3.1方波发生电路的工作原理图中R1与RF组成正反馈支路电阻R、电容C组成运放的负反馈支路。电阻R、电容C组成运放的负反馈支路。调节电位器Rp可改变频率。图2方波信号发生原理积分器比较器低通滤波器VoRFRRV11)121ln(211RFRRCTfo第5页共14页5当电容C的端电压VC（等于运放的反相端电压V–）大于V+时，输出电压Vo=–VZ（双向稳压管DZ的限幅电压），则电容C经电阻R放电，VC下降。当VC下降到比V+小时，比较器的输出电压Vo=+VZ，电容C又经过电阻R充电，电容的端电压VC又开始上升，如此重复，则输出电压vo为周期性方波，如图所示。图3输出电压与电容器电压波形图3.2方波——三角波转换电路的工作原理积分电路的工作原理式中，R1C为积分时间常数。图4积分电路原理图vo＋VzvctTVzR1R1＋RFoVzR1R1＋RF－Vz－tdtVCRVo0111第6页共14页6方波——三角波转换电路的工作原理图5方波——三角波产生电路原理图根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当ＲＣ积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可得，利用方波信号发生器和ＲＣ积分电路就可以组成三角波信号发生器。该电路的工作原理是：方波信号发生器输出的方波输入积分电路，在积分电路的输出端得到三角波信号。积分电路的输出端除了输出三角波信号外，还通过电阻Ｒ１将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端，将三角波信号整形变成方波信号输出。因为，该电路振荡信号的频率与三角波输出信号的幅度有关，所以要确定该电路的振荡频率，必须先确定三角波信号的输出幅度。三角波输出信号的幅度等于滞回电压比较器的阈值电压，根据叠加定理可求出滞回电压比较器的上下门限电压和门限宽度为为VVZTRR21VVZTRR21VVVVZTTRR212振荡周期为RRRCT2514第7页共14页73.3三角波波——正弦波转换电路的工作原理图6三角波——正弦波转换电路原理图原理：采用无源低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。3.4总电路图图7总电路图3.5电路的参数选择及计算三角波信号的周期21)15(14RCRFRRT要求的性能指标为100Hz~1KHz，即1ms~10ms，考虑到计算方便和实际常用的元器件规格，选取R1=10k，R2=10k，R5=1K，RF1=50K，故可计算理论上周期范围是0.4ms~20ms，符合指标要求。第8页共14页84multisim10辅助仿真及修正4.1方波——三角波转换电路的仿真用Multisim10电路仿真软件进行仿真。从Multisim10仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，方波输出端接一个虚拟的示波器，接通电源后，适当调节滑动变阻器可得如图所示的输出方波仿真图和三角波仿真图。图8方波——三角波电路仿真图第9页共14页94.2三角波——正弦波转换电路的仿真同样，也可以得到正弦波电路仿真图如下图8正弦波电路的仿真图5制板及调试5.1DXP注意事项电路绘制的时候主要是注意各个元器件的封装和实际买回来的元器件的管脚大小及距离相对应，并有选择地采用排针作为信号的输入以及输出和直流电源的输入。元器件采用手动布局。布线采用自动布局，布线时需要设计好参数。一般线条大小为1mm，地线和电源线为1.2mm，焊盘为2mm。电路板的长宽为：70mm×60mm。绘制好的pcb的sch电路图看附录图1。Pcb板请看附录图2.5.2制作pcb板的流程设计好原理图sch→→改变封装→→绘制pcb板→→布局布线→→打印pcb图纸→→印制铜板→→腐蚀铜板→→钻孔→→焊接元器件→→测板→→修改电路→→测试（直到第10页共14页10符合设计要求）。5.3注意事项（1）电阻的标称值应尽可能接近设计值，这可以适当选用几个电阻串并联；尽可能采用金属膜电阻电容及容差小于10%的电容。（2）在测试过程中，若某项指标偏差较大，则适当调整修正相应元器件的值。（3）制作板子过程中，为了节省材料，节约资源，尽量用最少的东西完成最佳的功能。所以板子元器件布局紧密。而提高抗干扰能力，布线时尽量短，少。焊盘设计合理。5.4调试对安装好的电路按一下方法进行调整和测试：（1）仔细检查装好的电路，确定元件与导线连接无误后，接通电源。（2）慢慢改变精密电位器RF1的大小，用示波器观察依次观察方波、三角波、正弦波输出电压的波形。若无法观察到波形，或者波形有失真，应按照电路的流向，依次从方波产生电路、三角波产生电路、正弦波产生电路来检查电路，找出故障原因并排除之。（3）若若可看到明显波形，可进一步进行调试。观测其最大和最小频率是否满足设计要求，若不满足设计要求应根据公式，确定应调整哪个元件才能使截止频率既能达到设计要求又不会对其它的指标参数产生影响。然后调节电位器RF2观测正弦电压的幅度是否满足设计要求，若不达到要求，应根据相关公式调整有关的元件，使其达到设计要求。通过测试设计值点电路板的结果，对电路板进行修正以达到设计要求。5.5实测电路波形、误差分析及改进方法.调试发现调节RF1电位器时在低频阶段，频率变化不大，并没有达到所要求的频率值，初步判断RF1的取值设为50K可能使得调节范围过大，于是换成20K的电位器，此时的理论周期变成了0.4ms~8.4ms，折合成频率为119Hz~2.5KHz，基本上也在所要求的范围之内，实际测试频率范围与理论值基本相符。在测试正弦波波形时，发现在达到一定频率时，出现波形失真，初步判断是此时进入放大电路的电压已经很大，使得稍微调大电位器RF2，电压就会被放大得更高，超过了电源电压+12V，故出现了失真，于是在放大电路之前加一分压电阻RF3，改进之后放大电路的最小放大间隔和放大倍数都可以调节，幅度调节更为灵活，且不易发生波形失真。第11页共14页11课设总结这次课设，从拿到题目，方案的选择，上网查阅资料翻阅书籍，和小组的人讨论，到仿真电路参数的选择和实际印制电路板，深刻的体会到作为一个电子信息类专业的学生，自己在实际动手能力方面的明显不足，我们在书本上学到的知识，要是没有经过自己的实际论证和探索，只会学过就忘或者无法应用于实际，正应了那句古话，百无一用是书生，学过的知识应用到实践当中才会更加的理解和消化，通过实践深入理解知识，而掌握丰富的知识才能更好的应用于实践，这两者是相辅相成的。同时，还深刻体会到自己在看待仿真软件方面的狭隘思想，仿真只是作为参考，而实践才是检验真理的唯一标准，我们一直都知道尽信书则不如无书，其实，仿真也一样，在理论研究上，仿真软件给我们带来了极大的方便，但是仿真的效果再好，它也只是参考，并不一定是实际的效果，在实践中，要考虑到方方面面的因素，元件参数的偏差及对元件对温度敏感程度等等。由于不经常做实际的电路板，在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，同