波形发生器课程设计

《波形发生器》课程设计报告专业：电气工程及其自动化班级：08级姓名：王诗慧指导教师：孟洁2011年11月13日-1-目录一、设计题目：波形发生器二、设计目的1、研究正弦波等振荡电路的振荡条件。2、学习波形产生、变换电路的应用及设计方法以及主要技术指标的测试方法。三、设计要求及主要技术指标设计要求：设计并仿真能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。1、方案论证，确定总体电路原理方框图。2、单元电路设计，元器件选择。3、仿真调试及测量结果。主要技术指标1、正弦波信号源：信号频率范围20Hz～20kHz连续可调；频率稳定度较高。信号幅度可以在一定范围内连续可调；2、各种输出波形幅值均连续可调，方波占空比可调；3、设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限，还可以进一步测出其输出电压的范围。四、仿真需要的主要电子元器件1、运算放大电路2、滑线变阻器3、电阻器、电容器等五、设计报告总结（要求自己独立完成，不允许抄袭）。1、对所测结果（如：输出频率的上限和下限，输出电压的范围等）进行全面分析，总结振荡电路的振荡条件、波形稳定等的条件。2、分析讨论仿真测试中出现的故障及其排除方法。3、给出完整的电路仿真图。4、体会与收获。一、方案论证与比较方案一：先用一块LM358运放做出方波经过积分电路获得三角波，再由三角波经过低通滤波转为正弦波。-2-.原理图及PCB图电路图-3-PCB原理图ＰＣＢ封装图五.电路的分析与计算没有接通时，VV00，滞回比较器V0=+UZ，则集成运放同相输入端ZiVRRRV212，同时ZVV0给C充电，使VR由0上升，在RVVi之前，ZVV0不变；当VViR时，V0跳变到-VZ。当V0=-VZ时,)(212ziVRRRV,同时C经Rf反向输入端等效电阻）使VR降低，在VR＞Vi之前V0=-VZ不变，当VR＜Vi时，Vi跳变到+VZ-4-图5.0.1（1）方波部分方波的波幅由稳压管的参数决定，这里使用１０Ｖ，方波的周期取决于充放电回路RC的数值。若R或C其中一个增大，和周期T均会增大，频率f也会增大。计算周期T：通过对方波发生电路的分析，可以想象，与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。利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，则占空比可调。则可求出周期T：)/21ln()/21ln()/21ln(1221122212112211RRCRTTTRRTRRTCRwCRww带入值得T=48.4sf=1/T=20KHz-5-图5.0.2（２）三角波部分在方波发生电路中，当阈值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。所以只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压。如图5.2.2的仿真结果所示，当方波发生电路的输出电压u01=-Uz时，积分运算电路的输出电压u0将线性下降；而当u01=Uz时，将线性上升。-6-图5.2.1积分电路的输入电压u01，而且u01不是+Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为)(100010160tuttuCRu式中u0(t0)为初态时的输出电压。设初态时u01正好从-Uz跃变为+Uz,则式子变为)(1000160tuttUCRuz积分电路反向积分，u0随时间的增长线性下降，一旦u0=-UT，再稍减小，u01将从+Uz跃变为-Uz。式子变为)(1000160tuttUCRuzU0(t1)为u01产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分，u0随时间的增长线性增大，一旦u0=+UT，再稍加增大，u01将从-UZ跃变为+UZ，回到初态，积分电路又开始反向积分。电路重复上述过程，因此产生自己震荡。由以上分析可知，u0是三角波，幅值为±UT；u01是方波，幅值为±UZ，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。设正向积分起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间为二分之一周期，则有+UT=)(216TZUTUCR得出震荡周期5644RCRRT震荡频率CRRRTf64541调节电路中的R5，可以改变震荡频率和三角波的幅值。仿真结果：-7-图5.2.2（3）正弦波部分在三角波电压为固定频率或频变化很小的情况下，可以考虑用低通滤波（或带通滤波）的方法将三角波变换为正弦波，输入电压的频率等于输出电压的频率。将三角波按傅里叶级数展开......)5sin2513sin91(sin8)(2wtwtwtUwtumI其中Um是三角波的幅值。电路如下图5.3.1-8-图5.3.1仿真结果：图5.3.2方案二：由RC桥式正弦波振荡器产生正弦波，经过滞回比较器输出的方波经过积分器积-9-分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，然后经过同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分器，共同组成锯齿波电压产生器电路。总设计框图：1.系统的全部功能、要求及技术指标1.可实现正弦波，并且正弦波在信号频率范围20Hz～20kHz连续可调；频率稳定度较高。实现了方波，三角波，锯齿波，并且信号幅度可以在一定范围内连续可调2.各种输出波形幅值均连续可调，方波占空比可调2．确定设计框图（系统包含的单元电路及结构）和总体设计方案-10-3..单元电路分析及计算RC桥式正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）基本原理图：RC桥式可由四部分组成：分别为放大电路，选频网络，正反馈网络，稳幅环节。其中RC串，并联电路构成直流电源RC正弦波振荡器方波形成电路三角波形成电路锯齿波形成电路频率选择控制-11-正反馈支路，同时兼做选频网络，R1，R2，R4及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。调节电位器R1，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形。利用两个反向并联二极管D1，D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。D1,D2采用硅管（温度稳定性好），且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响，以改善波形失真。RC并联选频网络的频率特性整理得：最终得：振幅平衡条件仿真图：-12-方波，三角波形成电路：方波原理图方波原理分析：-13-计算周期：T=2T1=2RCln(1+2R2/R1)三角波发生电路：三角波原理图：三角波，方波发生器：基本原理图：-14-把比较器U2输出的方波经积分器U3积分可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波、方波发生器。由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性打打改善。电路振荡频率：f=R8/4R9(R12+R11)Cf（阻值参照下图）方波幅值：U=Uz可以取正负值三角波幅值：U=(R1/R2)Uz方波三角波仿真图：锯齿波发生电路：-15-锯齿波原理图：它包括同相输入比较器和充放电时间常数不等的积分器两部分。门限电压的估算:Vp=Vi-[(Vi-Vo)/(R1+R2)]R1考虑电路翻转：Vn=Vp=0得Vi=Vt=-(R1/R2)Vo1得上门限电压为Vt=(R1/R2)Vz得下门限电压为Vt=-(R1/R2)Vz门限宽度为上门限与下门限之差。工作原理：设t=0时接通电源，有Vo1=-Vz经R4向C充电，使输出电压按线性规律增长。当Vo上升到门限电压Vt，使Vp=Vn=0时，比较器输出Vo1由-Vz上升到+Vz,同时门限电压下跳到Vt-值。以后Vo1=+Vz经R4和D、R6两支路向C反向充电，由于时间常数减小，Vo迅速下降到负值。当Vo下降到门限电压Vt-使Vp1=Vn1=0时，比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。如此周而复始，产生振荡。由于电容C的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形Vo为锯齿波电压，Vo1为矩形波电压。忽略二极管的正向电阻，其振荡周期；T=T1+T2=2R1R4C/R2+2R1(R4||R6)C=2R1R4C(R4+2R6)/R2(R4+R6)当R6、D支路开路，电容C的正、反向充电时间常数相等时，此时锯齿波就变成三角波，从而电路也就变成了方波，三角波产生电路。-16-振荡周期：T=4R1R4C/R2三、系统仿真调试分析1、软件仿真原理图2、模拟仿真过程-17-正弦波起始振荡状态后正常正弦振荡状态-18-方波振荡状态三角波起始振荡状态：-19-后三角波正常状态锯齿波振荡状态：-20-1、各项指标测试：正弦波：频率：电压：-21-方波：频率：电压：三角波：频率：-22-电压：锯齿波：频率：电压：-23-四、数据与调试分析1.从数据记录中可以看到误差:频率最小值误差：31.335最大值误差：1.023KHZ正弦波幅值误差：10.972V方波幅值误差：1.618V三角波幅值误差：4.4V锯齿波幅值误差：10.996V因为运用了RC正弦振荡电路，比较器，积分器，可变电阻来实现波形的稳定和可调。电压范围在1.004V到7.6V可调，频率在1.023KHZ到20KHZ可调，由于参数设置上有一定的偏差，致使在测量过程中数据有一定波动，电路不太稳定。五、心得体会通过这次对波形发生器的制作和设计，让我更加明白了设计电路的程序，也让我更加深入了解了波形发生器的设计理念和思路。其实这次实验做得并不是很顺利，在运行过程中碰到了很大的困难，比如出不来图形反而出现了错误，出来了图形但是严重失真等。一开始还比较迷茫，但是我没有失去信心，通过不断地改变阻值，改变接法，终于大体上算是成功了。但是有点遗憾就是波形还是有点微微失真，电压、频率等幅值误差还是较大。我想这是促使我要更加努力地学习课本知识来完善电路。在这里我要感谢老师的帮助，因为老师的提醒，让我的电路更加可行，使用。也因为老师，让我更加有信心去研究新的方法。-24-六、参考文献1.彭介华．电子技术课程设计指导．北京：高等教育出版社，20052.陈大钦主编．电子技术基础实验—电子电路实验·设计·仿真．北京：高等教育出版社，20003.高吉祥主编．电子技术基础实验与课程设计．北京：电子工业出版社，20024．郑步生.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.电子工业出版社.20021.《模拟电子技术基础》高等教育出版社；2.《Protel99SE入门与提高》电子工业出版社