课程设计-矩形波发生电路

1目录摘要--------------------------------------------------------------------------3关键词-----------------------------------------------------------------------31、设计任务与要求------------------------------------------------------31.1设计任务-----------------------------------------------------------------------------31.2设计要求-----------------------------------------------------------------------------32、单元电路设计与参数计算------------------------------------------32.1矩形波发生电路--------------------------------------------------------------------32.1.1电路组成及工作原理-------------------------------------------------------------42.1.2波形分析及主要参数-------------------------------------------------------------42.1.3占空比可调电路-------------------------------------------------------------------52.2*（发挥部分）三角波发生电路--------------------------------------------------63、系统电路总图及元件清单------------------------------------------63.1电路设计原理------------------------------------------------------------------------73.2总原理图------------------------------------------------------------------------------73.3PCB图-------------------------------------------------------------------------------73.4元件清单------------------------------------------------------------------------------84、电路调试与分析------------------------------------------------------84.1测试仪器----------------------------------------------------84.2测试说明----------------------------------------------------84.3调试结论------------------------------------------------------------------------------94.4误差分析------------------------------------------------------------------------------95、设计心得---------------------------------------------------------------96、参考文献---------------------------------------------------------------92矩形波发生电路摘要：本设计介绍了波形发生器的制作和设计过程,并根据输出波形特性研究该电路的可行性。在此基础上设计了一种能产生矩形波的模块电路,包括了原理图和PCB图。该电路有主要由UA741集成运算放大器，比较器，振荡器，通过用双踪示波器来确定波形的幅值及可调占空比的上限及下限。重点阐述了发生器的电路结构及工作原理，分析了单元电路的制作和工作过程并进行了调试，调试结果表明设计的电路是可行的。关键词：矩形波、比较器、积分器、三角波1.设计的任务与要求1.1设计任务：制作一占空比可调的矩形波发生电路1.2设计要求：1.频率为几百Hz～1KHz以内的某个定值;2.输出电压为uo=±8V；3.占空比的调节范围不小于[0.1，0.9]。2.方案论证与电路设计2.1矩形波发生电路2.1.1电路组成及工作原理因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来切丁每种状态维持的时间。图示为矩形波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和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。图中滞回比较器的输出电压，阈值电压ZTURRRU211……………………（1）因而电压传输特性如图所示：3设某一时刻输出电压Uo=±Uz，则相同输入端点位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Un随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时Un趋近于+Uz；但是一旦Un=+Ut，再稍增大，Uo就从+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，或者说放电，如图中虚线箭头所示。反相输入端电位Un随时间t增长而逐渐降低，当t趋于无穷时，Un趋于-Uz；但是一旦Un=-Ut，再稍微减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，与此同时Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正向充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。2.1.2波形分析及主要参数由于图中所示电路电筒正向充电和反向充电的时间常数均为RC，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内Uo=+Uz的时间与Uo=-Uz的时间相等，Uo为对称的方波，所以也称为该电路为方波发生电路。电容上电压Uc（即集成运放反相输入端电位Un）和电路输出电压Uo波形如图所示。矩形波的宽度Tk与周期T之比称为占空比，因此Uo是占空比为1/2的矩形波。根据电容上电压波形可知，在1/2周期内，4电容充电的起始值俄日-Ut，终了值为+Ut，时间常数为R3C；时间t趋于无穷时，Uc趋于+Uz，利用一阶RC电路的三要素法可列出方程)(132/TTTZTUCReUUU将（1）式代入上式，即可求出振荡周期T=23RCln2121RR振荡频率f=1/T。通过以上分析可知，调整电压比较器的电路参数R1和R2可以改变Uc的幅值，调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。而要调整输出电压Uo的振幅，则要换稳压管以改变Uz，此时Uc的幅值也将随之变化。2.1.3占空比可调电路通过对方波发生电路的分析，可以想象，欲改变输出电压的占空比，就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，占空比可调的矩形波发生电路如图所示，电容上电压和输出电压波形如图所示。当Uo=+Uz时，Uo通过Rw1、D1和R3对电容C正向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数CRRw311当Uo=-Uz时，Uo通过Rw2、D2和R3对电容C反向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数CRRw322利用一阶RC电路的三要素法可以解出211121lnRRT212221lnRRTT=1T+2T≈(wR+23R)Cln2121RR上式表明改变电位器的滑动端可以改变占空比，但周期不变。占空比为33112RRRRTTqww*2.2（发挥部分）三角波发生电路由矩形波经积分电路得出，如图所5示。运算放大器A1与R1、R2、R4及Dz1、Dz2组成电压比较器（同向输入的滞回比较器）；运算放大器A2与R3、R5、C组成反相积分器，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，构成能自动产生法波、三角波的发生器。图中滞回比较器的输出电压ZUU01,他的输入电压时积分电路的输出电压0U，根据叠加原理，集成运放1A同相输入端电位ZPURRRURRRURRRURRRU21101220121102121令,011NPUU则阈值电压ZTURRU21因此，滞回比较器的电压传输特性如图所示。积分电路的输入电压时滞回比较器的输出电压01U,而且01U不是ZU,就是ZU,所以输出电压的表达式为000101301tUttUCRU式中00tU为初态时的输出电压。设初态时01U正好从-ZU跃变为+ZU，则上式应写成0001301tUttUCRUZ积分电路反向积分，0U随时间的增长线性下降，根据图2的电压传输特性一旦TUU0，再稍减小，01U将从ZU跃变为-ZU。使得上式变为1012301tUttUCRUZ00tU为01U产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，0U随时间的增长线性增大，根据图2的电压输出特性，一旦TUU0，再稍增大，01U将从-ZU跃变为ZU，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自激震振荡。由以上分析可知，0U是三角波，幅值为TU；01U是方波，幅值为ZU，如图所示，因此也可称图所示电路为三角波—方波发生电路。由于积分电路引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围里，三角波电压几乎不变。63.系统电路总图及元件清单3.1电路设计原理3.2总原理图3.3PCB图RC振荡电路方波发生*三角波产生比较电路*积分电路73.4元件清单元件序号型号主要参数数量R1电阻2k1R2电阻5k11R3、R4、R5电阻10k1Rp1电位器100k1Rp2电位器22k1C1电容0.1u1C2电容0.22u1D1、D1整流管无2JP1双端稳压管±8V1UA741运放集成运放UA7412S1~S9开关无94.电路调试与分析4.1测试仪器：万用表、示波器、±12V直流源4.2测试说明：由于电压比较器与积分器组成正反馈闭环电路，输出矩形波之后经过积分电路才输出三角波，所以应该先安装矩形波发生电路，调试成功之后才继续安装积分电路输出三角波。需要注意的是，安装电位器之前要将其调整到设计值，否则电路可能会不起振。如果电路接线正确，则在接通电源后，比较器的输出VO1为方波，积分器的输出VO2为三角波，微调前级电位器Rp2，使方波的输出频率满足设计指标要求，调节电位器Rp1，则输出波形占空比可调。8元器件的选择是高性能放大的保证，在实际连线与焊接过程中，运放的参数必须尽可能相同，因此选用了带4集成运算放大器的UA741。同时为了提高共模抑制比和精确增益调控，运放输入端电阻必须精确匹配。按设计图安装好电路，稳压电源输出的+12V电压接到集成运放741的7脚，12V接到集成运放741的4脚，示波器的Ch1接Uo1，Ch2接Uo2，调整各电位器，使方波、三角波的输出幅度满足设计指标要求。4.3测试结论：测试项目频率幅度占空比指标值几百~1kHz某个定值±8V不小于0.1~0.9实际测量值200Hz±8.20.05~0.854.4误差分析：从测量结果中可以看出输出频率为200Hz在几百到1kHz范围内满足要求，输出幅度存在不足，占空