正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器.doc

1、 課程設(shè)計(jì)說明書課程設(shè)計(jì)名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)題目：正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器 學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 通信工程 班級(jí)： 090421 學(xué)號(hào)： 09042134 姓名： 趙尚虎 評(píng)分： 教師： 20 11 年 3 月 16 日任務(wù)書題目3：設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 輸出波形頻率范圍為0.02hz20khz且連續(xù)可調(diào)； 正弦波幅值為2v； 方波幅值為2v； 鋸齒波峰-峰值為2v，占空比可調(diào)；摘要 本次課程設(shè)計(jì)的目的是：應(yīng)用電路分析低頻等所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)發(fā)生器。設(shè)計(jì)的正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)發(fā)生器是由正

2、弦波發(fā)生器、過零比較器、積分電路等三大部分組成。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，正弦波經(jīng)過過零比較器轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?，方波?jīng)過積分電路產(chǎn)生鋸齒波。 關(guān)鍵字：正弦波、方波、鋸齒波目錄第一章 設(shè)計(jì)目的及任務(wù) 1.1 課程設(shè)計(jì)的目的5 1.2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求5 1.3 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)5第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇2.1 方案提出62.2 方案論證和選擇6第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系統(tǒng)組成73.2 正弦波發(fā)生電路的工作原理7 3.3 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的工作原理8 3.4 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的工作原理9 3.5 總電路圖11第四章 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇 4.1 正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)12

3、4.2 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的設(shè)計(jì)13 4.3 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的設(shè)計(jì)14第五章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果與分析5.1電路總體仿真圖如下所示175.2 調(diào)試方法與調(diào)試過程18第六章 結(jié)論21參考文獻(xiàn)23附錄（元器件清單）23第一章 設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)11課程設(shè)計(jì)的目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法2掌握模擬器件的應(yīng)用3培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來指導(dǎo)實(shí)踐的能力4掌握常用元器件的識(shí)別和測(cè)試5熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法 12課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.設(shè)計(jì)制作一個(gè)正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器2.能同時(shí)輸出一定頻率一定幅度的3種波形：正弦波、方波和鋸齒波3.可以用12v或15v直流穩(wěn)壓電源供電13 課程設(shè)

4、計(jì)的技術(shù)指標(biāo)1設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器2輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波3頻率范圍 ：在0.02hz-20khz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) 4輸出電壓：正弦波幅值+2v、方波幅值2v，鋸齒波峰峰值2v，占空比可調(diào)第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇2.1 方案提出方案一：rc正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波鋸齒波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過rc正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成鋸齒波。方案二：采用直接頻率合成器，從信號(hào)的幅度相位關(guān)系出發(fā)進(jìn)行頻率合成。2.2 方案論證和選擇方案一電路是通過rc正弦波振蕩電路，具有良好的正弦波，正弦波通過電壓比較器產(chǎn)生穩(wěn)定的方

5、波信號(hào)，方波信號(hào)經(jīng)過積分器產(chǎn)生鋸齒波，方案一的電路能通過改變門限電壓，改變方波的占空比，而且此方案可調(diào)節(jié)正弦波的幅值。電路簡(jiǎn)單有效，精度較高，性價(jià)比高，易于制作，能應(yīng)用于各種波形仿真、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用等。方案二能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。相對(duì)而言，方案一較為合理有效，因此選擇方案一。第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)框圖rc正弦波振蕩電路：確定選頻網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)還是并聯(lián)，用滑動(dòng)變阻器代替電阻，以起到選頻的效果，反饋

6、部分用兩個(gè)并聯(lián)的二極管，起到穩(wěn)幅的作用，再加滑動(dòng)變阻器，用以改變正弦波的幅度；電壓比較器：正弦波經(jīng)過電壓比較器變成方波，要改變方波的占空比就得改變其門限電壓，通過外加受滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)的電源來實(shí)現(xiàn)可調(diào)門限電壓；積分器：占空比調(diào)小后的方波經(jīng)過積分器即可得到鋸齒波。積分器鋸齒波電壓比 較電壓比 較自激振蕩產(chǎn)生正選波（rc正選波振蕩電路）圖13.2 正弦波發(fā)生電路的工作原理產(chǎn)生正弦振蕩的條件:正弦波產(chǎn)生電路的目的就是使電路產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般在放大電路中引入正反饋，并創(chuàng)造條件，使其產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩。正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu)是：引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)和放大電路。其中：接入正反饋是產(chǎn)生振蕩

7、的首要條件，它又被稱為相位條件；產(chǎn)生振蕩必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有選頻特性；同時(shí)它還應(yīng)具有穩(wěn)幅特性。因此，正弦波產(chǎn)生電路一般包括：放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路等四個(gè)部分。正弦波振蕩電路的組成判斷及分類：1）放大電路：保證電路能夠有從起振到動(dòng)態(tài)平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實(shí)現(xiàn)自由控制。2）選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率，是電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩。3）正反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋，使放大電路的輸入信號(hào)等于其反饋信號(hào)。4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用是輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。 判斷電路是否振蕩的方法是： （1）是否滿足相位條件，即

8、電路是否是正反饋，只有滿足相位條件才可能產(chǎn)生振蕩（2）放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作是否合適； （3）是否滿足幅度條件正弦波振蕩電路檢驗(yàn)，若： (1) 則不可能振蕩； (2) 振蕩，但輸出波形明顯失真； (3) 產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后。此種情況起振容易，振蕩穩(wěn)定，輸出波形的失真小 分類： 按選頻網(wǎng)絡(luò)的元件類型，把正先振蕩電路分為：rc正弦波振蕩電路；lc正弦波振蕩電路；石英晶體正弦波振蕩電路。rc正弦波振蕩電路 常見的rc正弦波振蕩電路是rc串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在此作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)。它的起振條件為：。它的振蕩頻率為：f0=1/(2r

9、c)它主要用于低頻振蕩。要想產(chǎn)生更高頻率的正弦信號(hào)，一般采用lc正弦波振蕩電路。它的振蕩頻率為：f0=1/(2rc)。石英振蕩器的特點(diǎn)是其振蕩頻率特別穩(wěn)定，它常用于振蕩頻率高度穩(wěn)定的的場(chǎng)合。3.3 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的工作原理 在單限比較器中，輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源于輸入信號(hào)還是外部干擾。因此，雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。而滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因此也就具有一定的抗干擾能力。從反向輸入端輸人的滯回比較器電路如圖1a所示，滯回比較器電路中引人了正反饋。從集成運(yùn)放輸出端的限幅電路可以看出，uouz。集成運(yùn)放反相

10、輸人端電位upui同相輸入端電位圖2令un=up求出的ui就是閥值電壓輸出電壓在輸人電壓u，等于閥值電壓時(shí)是如何變化的呢？假設(shè)ui+ ut，那么un一定大于up，因而uo- uz，所以u(píng)p- ut。只有當(dāng)輸人電壓ui減小到-ut，再減小一個(gè)無窮小量時(shí)，輸出電壓uo才會(huì)從- ut躍變?yōu)? ut?？梢?，uo從+ ut躍變?yōu)? ut和從- ut躍變?yōu)? ut的閥值電壓是不同的，電壓傳輸特性如圖b)所示。從電壓傳輸特性上可以看出，當(dāng)- utui+ ut時(shí)，uo可能是- ut，也可能是+ ut。如果ui是從小于-ut，的值逐漸增大到- ut ui+ ut，那么uo應(yīng)為+ ut；如果ui從大于+ ut的值

11、逐漸減小到- ut ui+ ut，那么應(yīng)為- ut。曲線具有方向性，如圖b)所示。實(shí)際上，由于集成運(yùn)放的開環(huán)差模增益不是無窮大，只有當(dāng)它的差模輸人電壓足夠大時(shí)，輸出電壓uo才為uz。uo在從+ ut變?yōu)? ut或從- ut變?yōu)? ut的過程中，隨著ui的變化，將經(jīng)過線性區(qū)，并需要一定的時(shí)間。滯回比較器中引人了正反饋，加快了uo的轉(zhuǎn)換速度。例如，當(dāng)uo+uz、up=+ ut時(shí)，只要ui略大于+ ut足以引起uo的下降，即會(huì)產(chǎn)生如下的正反饋過程：uo的下降導(dǎo)致up下降，而up的下降又使得uo進(jìn)一步下降，反饋的結(jié)果使uo迅速變?yōu)閡t，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。本電路中該電路的作用是將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)

12、變成方波信號(hào)，其傳輸特性曲線如下圖所示：圖33.4 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的工作原理 圖4當(dāng)輸入信號(hào)為占空比調(diào)小后的方波時(shí)，其輸出信號(hào)為鋸齒波，電路波形圖如下：圖53.5 總電路圖圖6 第四章 單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇 4.1 正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì) 本電路中采用rc橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，其電路圖如下所示：圖7 該電路rf回路串聯(lián)兩個(gè)并聯(lián)的二極管，如上圖所示串聯(lián)了兩個(gè)并聯(lián)的1n4148二極管，這樣利用電流增大時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻減小、電流減小時(shí)動(dòng)態(tài)電阻增大的特點(diǎn)，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。此時(shí)輸出電壓系數(shù)為 au=1+(rf+rd)/r1 rc振蕩的頻率為：fo1/2pirc

13、 用multisim10.0對(duì)電路進(jìn)行仿真得到正弦波：圖8仿真與理論接近 4.2 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的設(shè)計(jì)本電路可以采用滯回電壓比較器將正弦波轉(zhuǎn)成方波，其電路原理如下圖所示：圖9原理上文已講述，此處省略。 也可以采用和滯回比較器功能相似的另一電路實(shí)現(xiàn)，如下圖： 圖10輸出電壓幅值僅由穩(wěn)壓管決定，所以選穩(wěn)壓管（1n4748）。 用multisim10.0對(duì)其進(jìn)行仿真得到如下波形圖：圖11 4.3 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的設(shè)計(jì) 本電路中方波轉(zhuǎn)成鋸齒波采用積分電路，其電路原理如下圖所示：圖12 積分電路： u0=-+u0(t1)其中，積分電路圖中的電路圖13用于調(diào)節(jié)占空比。鋸齒波形如下圖所示：圖14第

14、五章 實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果與分析5.1電路總體仿真圖如下所示圖15輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波頻率范圍 ：在0.02hz-20khz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) 輸出電壓：正弦波幅值約為2v、方波幅值約為2v，鋸齒波峰峰值約為2v，占空比可調(diào)5.2 調(diào)試方法與調(diào)試過程總電路圖如下所示圖16圖17 該電路分為三部分，第一部分為rc橋式正弦振蕩電路，其功能是利用rc振蕩產(chǎn)生特定頻率的正弦波，通過調(diào)節(jié)電阻r2改變正弦波幅值；第二部分為類似電壓比較器的電路，其功能為將正弦波轉(zhuǎn)成方波；第三部分為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉(zhuǎn)成鋸齒波，鋸齒波通過調(diào)節(jié)r8的大小改變鋸齒波的幅值。在正弦波產(chǎn)生電路中f=1/2pi

15、rc,改變r(jià)c的值可以改變電路的信號(hào)頻率，在積分電路中，改變r(jià)9的值可以改變方波的占空比。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)： 正弦波幅值（v）1.96方波幅值(v)2.0鋸齒波峰峰值(v)2.1數(shù)據(jù)分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，在誤差范圍內(nèi)，都符合設(shè)計(jì)要求。誤差分析：.電阻的實(shí)際值與標(biāo)稱值存在誤差；.rc選頻網(wǎng)絡(luò)中的r、c參數(shù)的選擇不合理導(dǎo)致頻率的選擇不達(dá)不到要求；.電位器的大小選擇不合適，導(dǎo)致調(diào)節(jié)的精度不夠高；.焊接時(shí)管腳的連接容易短路或開路，導(dǎo)致波形不能出來；第六章 結(jié)論1 要滿足課設(shè)的頻率調(diào)節(jié)要求，0.02hz20khz，這個(gè)部分：需要該進(jìn)成的多檔調(diào)節(jié)（此方法是模擬電子技術(shù)基本教程課本上p281的震蕩頻率連續(xù)可

16、調(diào)的rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）或者是更多的檔位（多向開關(guān)實(shí)驗(yàn)室也沒有，所以只能夠用一個(gè)電容，因此頻率調(diào)節(jié)的范圍就小了）。模塊二：以下是過零比較器電路，用來將正弦波轉(zhuǎn)換成方波的部分2對(duì)于是一個(gè)穩(wěn)幅電路，其作用是穩(wěn)定方波的幅值，使之滿足課設(shè)要求的2v（可是實(shí)驗(yàn)室沒有這樣幅值的穩(wěn)壓管，給的是6v的所以輸出的要求不能滿足）。模塊三：以下是調(diào)節(jié)方波占空比的電路，用來將方波轉(zhuǎn)換成矩形波的部分這個(gè)電路在實(shí)際中好像沒有多大的效果，我個(gè)人估計(jì)這樣的電路需要在輸出與前一級(jí)輸入之間有個(gè)反饋！不過在后來的求證當(dāng)中，為了調(diào)節(jié)方波的占空比，可以再第二級(jí)的部分稍作改動(dòng)，將過零比較器改為不過零的，即放大器的正極管腳輸入一個(gè)穩(wěn)定的電壓就可以使得翻轉(zhuǎn)電壓因此而改變，改進(jìn)圖：。這樣在第二級(jí)輸出的圖形就直接是矩形波了。3：以下是積分電路，用來將矩形波轉(zhuǎn)換成鋸齒波的部分1. 對(duì)于這個(gè)電路圖對(duì)于方波轉(zhuǎn)換成三角波是沒有問題的，可是要將矩形波轉(zhuǎn)換成鋸齒波的話，也許要在這級(jí)與前一級(jí)間再引入