波形轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

1、 武漢理工大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄1 技術(shù)指標(biāo)12 設(shè)計(jì)方案及其比較12.1 方案一12.1.1 設(shè)計(jì)思路12.1.2 參數(shù)計(jì)算22.1.3 proteus仿真模擬32.2 方案二42.2.1 設(shè)計(jì)思路42.2.2 參數(shù)計(jì)算52.2.3 工作原理52.2.4 proteus仿真模擬：62.3.1 設(shè)計(jì)思路72.3.2 參數(shù)計(jì)算82.3.3 工作原理92.3.4 proteus仿真模擬92.4 方案比較103 實(shí)現(xiàn)方案113.1 工作原理113.2 工作過(guò)程113.3 重要參數(shù)123.4 所用元器件及其功能124 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論135 心得體會(huì)146 參考文獻(xiàn)15波形轉(zhuǎn)換電路的設(shè)

2、計(jì)1 技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)一種波形轉(zhuǎn)換電路，要求產(chǎn)生頻率可調(diào)的方波，并且能夠?qū)崿F(xiàn)方波轉(zhuǎn)換為三角波。測(cè)試并且記錄下不同頻率下的方波和三角波的波形圖，以及輸出電壓值。2 設(shè)計(jì)方案及其比較2.1 方案一2.1.1 設(shè)計(jì)思路 三角波方波積分電路方波產(chǎn)生電路輸出 圖1方案一原理圖方波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正弦信號(hào)發(fā)生電路?；倦娐方M成如圖2所示，它是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由RF、C組成的積分電路，把輸出電壓經(jīng)過(guò)RF、C反饋到比較器的反相端。電路的正反饋系數(shù)F為 （1）將方波產(chǎn)生電路與積分電路結(jié)合，形成我們需要的電路。 圖 2 方波產(chǎn)生電路2.1.2 參數(shù)計(jì)算起振條件為AF1 且 （

3、2）周期 （3）當(dāng)R1，R2取適當(dāng)值，使F=0.462，則T可簡(jiǎn)化為 （4）或振蕩頻率為 （5） 圖3 輸出電壓與電容器電壓波形圖2.1.3 proteus仿真模擬 將方波產(chǎn)生電路和積分電路，組成一個(gè)完整的電路圖。在proteus上進(jìn)行模擬仿真。得到圖4所示電路圖。得到圖5所示波形圖。 圖 4 方案一在proteus上的模擬仿真電路圖 圖 5 方案一在proteus上的模擬仿真波形圖2.2 方案二2.2.1 設(shè)計(jì)思路 通過(guò)鋸齒波產(chǎn)生電路得到可調(diào)方波，三角波。輸出三角波方波積分電路同相輸入遲滯比較器 圖 6 方案二原理圖 通過(guò)鋸齒波產(chǎn)生電路如圖7所示，產(chǎn)生方波和三角波。當(dāng)鋸齒波產(chǎn)生電路中方波的占

4、空比為50%時(shí)就可輸出三角波。 圖7鋸齒波產(chǎn)生電路2.2.2 參數(shù)計(jì)算門(mén)限電壓估算： （6） （7） 所以 （8）振蕩周期 （9）當(dāng)占空比為50%時(shí)，有 （10）2.2.3 工作原理接通電源，有,則經(jīng)過(guò)R6向C充電，輸出電壓按線性規(guī)律增長(zhǎng)。當(dāng)上升到使時(shí)，比較器輸出由上跳到。同時(shí)門(mén)限電壓下跳到。以后經(jīng)過(guò)R6向C反向充電，迅速下降到負(fù)值。當(dāng)下降到使時(shí)，比較器輸出又由下跳到。如此周而復(fù)始，產(chǎn)生振蕩。 圖 8 電路對(duì)應(yīng)的波形圖2.2.4 proteus仿真模擬： 將同相輸入遲滯比較器和積分電路，組成一個(gè)完整的電路圖。在proteus上進(jìn)行模擬仿真。得到圖9所示電路圖。得到圖10所示波形圖。 圖 9 方

5、案二在proteus上的模擬仿真電路圖 圖 10 方案三在proteus上的模擬仿真波形2.3 方案三2.3.1 設(shè)計(jì)思路三角波 比較器方波正弦波 積分電路RC橋式振蕩電路輸出圖 11 方案三原理圖 電路由三部分組成，RC振蕩電路，比較器，積分電路。其中RC振蕩電路負(fù)責(zé)將正弦波轉(zhuǎn)換成方波，積分電路將方波轉(zhuǎn)換成三角波。 圖12 RC橋式振蕩電路 圖13 比較器 圖14 積分電路2.3.2 參數(shù)計(jì)算設(shè)計(jì)頻率f=1000Hz根據(jù) （11）得。 R應(yīng)滿足 Ri約為幾百千歐，Ro約為幾百歐。所以取R=16k，則C=0.01uF。周期 （12）當(dāng)R1，R2取適當(dāng)值，使F=0.462，則T可簡(jiǎn)化為 （13）

6、或振蕩頻率為 （14）2.3.3 工作原理 接通電源瞬間，設(shè)輸出電壓偏于正飽和值，即時(shí)，則加到電壓比較器同相端的電壓為 ，且。而反相端電壓，只能由Vo通過(guò)Rf向C充電來(lái)建立。當(dāng)加到反相端的電壓略正于時(shí)，Vo則從翻轉(zhuǎn)到。又通過(guò)Rf向C反向充電。直到Vc略負(fù)于值，Vo又再次變?yōu)椤Ｈ绱搜h(huán)往復(fù)，形成一系列方波。2.3.4 proteus仿真模擬將RC橋式振蕩電路，比較器，積分電路，組成一個(gè)完整的電路圖。在proteus上進(jìn)行模擬仿真。得到圖15所示電路圖。得到圖16所示波形圖。 圖 15 方案三在proteus上的模擬仿真電路圖 圖 16 方案三在proteus上的模擬仿真波形圖2.4 方案比較 在

7、以上的三個(gè)方案中，三種方案有自己不同的原理，所以三個(gè)方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)。方案一： 原理比較簡(jiǎn)潔，由方波產(chǎn)生電路和積分電路兩部分構(gòu)成。方波產(chǎn)生電路產(chǎn)生方波信號(hào)后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波。該方案所需的元器件種類少，所需器件數(shù)量也少。節(jié)約成本。原理簡(jiǎn)潔，便于實(shí)現(xiàn)。方案二： 由同相輸入遲滯比較器和積分電路兩部分構(gòu)成。同相輸入遲滯比較器產(chǎn)生方波信號(hào)后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波。該方案所需元器件略多于方案一，原理也很簡(jiǎn)潔，產(chǎn)生的波形穩(wěn)定，不易失真。方案三： 由RC橋式振蕩電路，比較器和積分電路三部分構(gòu)成。RC橋式振蕩電路產(chǎn)生正弦波，比較器將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，之后由積分電路將方波轉(zhuǎn)化為三角波。實(shí)

8、驗(yàn)原理較前兩個(gè)復(fù)雜，且所用元器件多。成本較高。但是很直觀，便于掌握波形轉(zhuǎn)換的原理。 綜上所述，最后我們選擇原理簡(jiǎn)潔，所用元器件簡(jiǎn)單，成本低廉的方案一作為實(shí)踐方案。3 實(shí)現(xiàn)方案3.1 工作原理 如圖14所示，該方案的原理為左邊部分的方波產(chǎn)生電路和右邊積分電路構(gòu)成。方波產(chǎn)生電路，它是在遲滯比較器的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)由RF、C組成的積分電路，把輸出電壓經(jīng)過(guò)RF、C反饋到比較器的反相端。電路的正反饋系數(shù)F為 （15） 圖 17 實(shí)踐方案原理圖3.2 工作過(guò)程 在接通電源的瞬間，輸出電壓究竟是偏向于正飽和還是負(fù)飽和，純屬偶然。設(shè)輸出電壓偏于正飽和值，即時(shí)，加到電壓比較器同相端的電壓為,而加于反相端的電壓

9、，由于電容器C上的電壓不能突變，只能由輸出電壓通過(guò)電阻Rf按指數(shù)規(guī)律向C充電來(lái)建立，如圖14所示，充電電流為。顯然，當(dāng)加到反相端的電壓略正于時(shí)，輸出電壓便立即從正飽和值迅速翻轉(zhuǎn)到負(fù)飽和值，又通過(guò)Rf對(duì)C進(jìn)行反向充電，如圖15所示，充電電流為。直到略負(fù)于值時(shí)，輸出狀態(tài)再反轉(zhuǎn)回來(lái)。如此循環(huán)不已，形成一系列的方波輸出。方波經(jīng)過(guò)積分電路后將方波轉(zhuǎn)化為三角波。得到輸出波形。 圖14 電容器充電情況 圖15 電容器反向充電情況3.3 重要參數(shù)周期 （16）當(dāng)R1，R2取適當(dāng)值，使F=0.462，則T可簡(jiǎn)化為 （17）或振蕩頻率為 （18）3.4 所用元器件及其功能 表1 所用元器件一覽表序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量1

10、運(yùn)算放大器LF35322電阻10K33電容器0.1uF24滑動(dòng)變阻器10K1運(yùn)算放大器：將模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理。電阻R1，R2：形成反饋回路?；瑒?dòng)變阻器Rf：對(duì)電容器C2進(jìn)行充放電。調(diào)節(jié)Rf可以對(duì)方波的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)。電阻R3：對(duì)電容器C1進(jìn)行充放電。 圖 16 實(shí)踐方案的proteus仿真模擬圖 圖 17 測(cè)試電路的布線圖4 調(diào)試過(guò)程及結(jié)論 我的實(shí)驗(yàn)調(diào)試過(guò)程相比較而言還算比較順利。將電路在面包板上布線，如圖17所示。調(diào)好運(yùn)算放大器正負(fù)12V的工作電壓。將波形接入示波器。打開(kāi)電源，運(yùn)行電路。發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的波形方波部分很正常。但是三角波失真很?chē)?yán)重。經(jīng)過(guò)分析，問(wèn)題應(yīng)該出現(xiàn)在電路的布線上，于是從新對(duì)電路進(jìn)

11、行了檢查，發(fā)現(xiàn)電路有一個(gè)地方接錯(cuò)了。積分電路部分的正向輸入端沒(méi)有接地。于是，立即將其接上地線。在此打開(kāi)電源和示波器，運(yùn)行電路。觀察波形得到很完整（如圖18所示）的方波和三角波。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器Rf，改變波形的頻率。得到三組頻率的波形圖，得到三組數(shù)據(jù)如下。 表2 調(diào)試數(shù)據(jù)記錄表序號(hào)Rf（千歐）C(uF)T(mS)f(kHz)f理(kHz)14.300.10.81.251.1625.730.1110.87237.020.11.20.830.712測(cè)試電路的運(yùn)行與模擬仿真的結(jié)果一直，實(shí)際與理論統(tǒng)一，可認(rèn)為此次課程設(shè)計(jì)的電路設(shè)計(jì)成功。 圖 18 測(cè)試電路的波形圖5 心得體會(huì) 此次課程設(shè)計(jì)是我們上大學(xué)以來(lái)

12、的第一次課程設(shè)計(jì)，第一次做，有很大的新鮮感，也遇到了很多困難。 剛開(kāi)始接到任務(wù)書(shū)的時(shí)候，心里很沒(méi)譜，也很茫然，但是經(jīng)過(guò)老師的耐心講解，通過(guò)查閱了很多資料，慢慢的對(duì)課程設(shè)計(jì)的要求也有了具體的了解。之后，為了預(yù)答辯，我查閱了很多資料，慢慢的就形成了自己的設(shè)計(jì)方案。 因?yàn)槲覀兊恼n程設(shè)計(jì)要求有三種解決方案，所以要有三種不同原理的電路得到方波和三角波。這就需要比較深厚的知識(shí)功底。我在圖書(shū)館，網(wǎng)上查閱了很多這方面的資料。有些有參考價(jià)值，但很多都不是我需要的。并且與同學(xué)老師交流，翻開(kāi)模電課本重新學(xué)習(xí)與此有關(guān)的章節(jié)。終于弄懂了三種方案的原理。 做出了原理，當(dāng)然要付諸實(shí)踐。首先，我在proteus軟件上設(shè)計(jì)出了電路圖，并對(duì)其進(jìn)行仿真模擬，得到了預(yù)期波形圖。然后在調(diào)試過(guò)程中，在面包板上進(jìn)行布線，感受到了實(shí)際操作的樂(lè)趣。最終的到了理想的波形。 寫(xiě)報(bào)告書(shū)的過(guò)程也是很艱難的，對(duì)于平時(shí)很少用電腦進(jìn)行辦公的我來(lái)說(shuō)，這是很具有挑戰(zhàn)性的。在不斷的摸索，和同學(xué)的指點(diǎn)下，一點(diǎn)一點(diǎn)的獨(dú)立完成