方波--三角波产生电路

苏州科技大学天平学院电子与信息工程学院模拟电子技术课程设计报告课设名称设计方波--三角波产生电路学生姓名圣鑫学号1430119232专业班级通信1422指导教师孙云飞年月日—年月日一、设计课题设计方波--三角波产生电路二、课程设计的目的及技术指标与要求1、设计目的（1）掌握电子系统的一般设计方法；（2）掌握模拟IC器件的应用；（3）会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试，进一步完善理论设计；（4）通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子器件的类型和特性，并掌握合理选用元器件的原则；（5）掌握模拟电路的安装\测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法，能分析实验中出现的正常或不正常现象(或数据)独立解决调试中所发生的问题；（6）学会撰写课程设计报告；（7）培养实事求是，严谨的工作态度和严肃的工作作风；（8）培养综合应用所学知识来指导实践的能力。2、技术指标与要求（1）输出波形：方波－三角波－正弦波；（2）频率范围：100HZ~200HZ连续可调；（3）输出电压：正弦波-方波的输出信号幅值为6V，三角波输出信号幅值为0~2V连续可调；（4）正弦波失真度：γ≤5%。三、系统知识介绍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。函数发生器有很宽的频率范围，使用范围很广，它是一种不可缺少的通用信号源。函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一，在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。函数发生器的设计有两种方案有四种：方案一、由RC桥式电路产生正弦波，再由正弦波经比较器电路产生方波，再由方波经积分电路产生三角波。方案二、采用DDS作为信号发生核心期间的全数控函数信号发生器根据输出信号波形类型可设置、输出信号幅度和频率可控制、输出频率的要求，选用AD9850芯片，并通过单片机程序和处理AD8950的32为频率控制字，在经放大后加以数字电位器为核心的数字衰减网络，从而实现信号幅度、频率、类型的控制。方案三、用5G8038集成函数信号发生器所需信号。接入外部电路后5G8038的9、3、2引脚就分别产生方波、三角波、正弦波。频率调节部分通过其他引脚接外电路来实现，然后从5G8038出来经过选择开关选择所需的波形进图15G8038集成函数信号发生器入LM31D8进行放大和幅度调节最后从LM31D8出来的波即为频率和幅度可调的方波，三角波和正弦波。5G8038如图1所示。方案四、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电路得到三角波，三角波到正弦波由差分式放大电路完成。差分放大电路具有工作稳定、输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器时可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正波。设计框图如图2所示。四、设计所用软件Multisim13.0软件介绍Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。图2由比较器与积分器组成的函数发生器五、电路方案与系统、参数设计1.设计思路总体设计思路为：先通过比较器产生方波，方波通过积分器产生三角波。1.1比较器原理比较器是由运算放大器发展而来的，比较器电路可以看作是运算放大器的一种应用电路。由于比较器电路应用较为广泛，所以开发出了专门的比较器集成电路。图3（a）由运算放大器组成的差分放大器电路，输入电压VA经分压器R2、R3分压后接在同相端，VB通过输入电阻R1接在反相端，RF为反馈电阻，若不考虑输入失调电压，则其输出电压Vout与VA、VB及4个电阻的关系式为：BFAFoutVRRVRRRRRV**113231图3比较器若R1=R2，R3=RF，则BAFoutVVRRV1,1RRF为放大器的增益。当R1=R2=0(相当于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相当于R3、RF开路)时，Vout=∞。增益成为无穷大，其电路图就形成图3(b)的样子，差分放大器处于开环状态，它就是比较器电路。实际上，运放处于开环状态时，其增益并非无穷大，而Vout输出是饱和电压，它小于正负电源电压，也不可能是无穷大。从图3（a）和3（b）中可以看出，比较器电路就是一个运算放大器电路处于开环状态的差分放大器电路。同相放大器电路如图3（c）所示。如果图3（c）中RF=∞，R1=0时，它就变成与图3（b）一样的比较器电路了。1.2积分电路原理积分是一种常见的数学运算，积分电路如图4所示。利用理想运放的特性有0Nv,0iI，因此有iii21，电容C以电流RviI1进行充电。假设电容C初始电压0)0(Cv，则dtRvCdtiCvvIN1110dtvRCvI10图4积分电路上式表明，输出电压0v为输出电压Iv对时间的积分，负号表示它们在相位上是相反的。又称反相积分器。图中Cvv0。当输入信号Iv为如图5（a）所示的阶跃电压时，在它的作用下，电容器将以近似恒流方式进行充电，输出电压0v与时间t呈近似线性关系，如图5（b）所示。因此tVtRCVvII0式中RC为积分时间常数。当t时，IVv0。当t，0v增大，直到omVv0，即运放输出电压的最大值omV受供电直流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，0v保持不变，而停止积分。图5积分电路的阶跃响应（a）输入电压信号波形（b）输出电压波形2.工作原理2.1方波产生电路原理方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。由于方波或矩形波包含极丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡电路。矩形波产生电路如图6所示，它是在迟滞比较器的基础上，把输出电压经FR、C反馈集成运放的反相端。在运放的输出端引入限流电阻R和两个稳压管而组成的双向限幅电路。在接通电源的瞬间，电路的输出电压究偏于正向饱和还是负向饱和，纯属偶然。设输出电压偏于负饱和值，即ZVv0时，则集成运放同相端的电压为ZpVRRRv212而ZVv0时电容反向充电，Cv由零变负。在Cv高于Pv之前，ZVv0不变。当Cv下降到略低于Pv时，0v从–VZ跳变到+VZ。与此同时，Pv由212RRVRZ变为ZPVRRRv212图6双向限幅的方波产生电路而ZVv0是电容充电，在Cv低于Pv以前，ZVv0不变。当Cv上升到略高于Pv时，0v从+VZ跳到–VZ。如此循环不已，产生振荡，输出矩形波。图7画出了在1tt~3t时的一个方波的典型周期内输出端及电容C上的电压波形。因本次实验有明确要求：三角波输出信号幅值为0~2V连续可调，所以方波部分的电路图修改如图8。图7输出电压与电容器电压波形图图8方波产生电路图2.2方波——三角波转换电路的工作原理产生三角波利用的是积分电路的原理由于反相输入，0u，故1RuiiIFIdtuCRiFdtCuuIFC1011上式表明0u与Iu的积分成比例，式中的负号表示两者相反，FCR1称为积分图9方波——三角波转换电路时间常数。当Iu为阶跃电压时，tCRuuFI10。当积分电路的输入为方波时，电路将输出三角波。3.电路元件及参数设计3.1芯片uA741工作原理及原理图741型运算放大器具有广泛的模拟应用。宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作电压特点在积分器、加法器和一般反馈应用中能使电路具有优良性能。此外，它还具有如下特点：（1）无频率补偿要求；（2）短路保护；（3）失调电压调零；（4）大的共模、差模电压范围；（5）低功耗。741型运放双列直插封装的俯视图如图10（a）所示。紧靠缺口（有时也用小圆点标记）下方的管脚编号为1，按逆时针方向，管脚编号依次为2，3，…，8。其中，管脚2为运放反相输入端，管脚3为同相输入端，管脚6为输出端，管脚7为正电源端，管脚4为负电源端，管脚8为空端，管脚1和5为调零端。通常，在两个调零端接一几十千欧的电位器，其滑动端接负电源，如图10（b）所示。调整电位器，可使失调电压为零。U+U-IN-87651234-+IN+OUT调零调零空端+-+2315467U+U-（a）（b）图10uA741型运算放大器的封装图3.202DZ4.7二极管由两个02DZ4.7二极管组成了一个稳压二极管。稳压二极管的作用是限制和确定方波的幅度，因此要根据设计所要求的方波幅度来选择稳压管的稳定电压。此外，方波幅度和宽度的对称性也与稳压管的对称性有关，为了得到对称的方波输出，通常应选用高精度的双向稳压管。R2为稳压管的限流电阻，其值由所选用的稳压管的稳定电流决定。3.3频率与电容C由于设计任务书中要求频率范围为100HZ~200HZ连续可调，而fRRCRRRTPP1)(413244可见f与C成反比，若要得到100HZ~200HZ，C要为0.1F。4.总电路图与器材清单表图11方波--三角波产生的总电路图元器件名称个数型号主要参数运算放大器2741示波器1可调电阻150k电阻5R20k,5k,10k电容1C0.1μF直流稳压电源4±12V二极管202DZ4.75.实验仿真结果图12示波器六、讨论设计中发生的问题1．第一次独立完成课程设计，没有经验。2．方波和三角波和接触较少，特别是三角波，面对题目，不知道该怎么开始。3．设计电路图时，关于比较器和积分电路的知识不足，无法让两个电路融合在一起，成功得到波形。4．没有注意到设计任务书中有关于参数的要求，导致得到的波形不符合要求。5．电脑中没有Multisim13.0，破解中遇到了一些困难。6．没有学习和使用过Multisim13.0，画电路图中，一些元件找不到；连线时，没有仔细注意节点，导致电路图一直不成功，得不到需要的波形。七、设计心得体会本次课程设计是我到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习，。身为电气工程系的学生，设计是我们将来必须的技能。而这次课程设计恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台。通过本课题的设计，我感慨颇多，从拿到课题到定稿，从理论到实践，在课程设计的过程中,可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。因为这次课程设计需要动脑动手，把自己课堂上学到的软件和硬件知识全部应用进来。要想完成好这次课程设计，必须熟悉模拟电子技术理论知识，与外部电路的连接。这其中有以前课堂上学过的也有需要我们自学研究的，这不仅考察了自己原来的知识程度还加强了我们独立获取知识并加以运用的能力。通过这次实验，我对函数发生器的了解扩宽了，对模拟电子技术和外围电路的认识也更为清晰了，这为我以后工作提供了坚实的基础。在摸索改如何设计电路使之实现所需功能的过程中还培养了我的设计思维，增加了实际动手能力，让我体会到了设计电路的艰辛的同时，更让我体会到了成功的喜悦。时间很快过去了，看着自己的劳动成果，心里满是欣慰。最后，感谢老师和同学们的悉心指导和帮助。八、参考文献【1】康华光《电子技术基础模拟部分》高等教育出版社第六版