方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器

1、武漢理工大學(xué)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計說明書課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目：方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器初始條件：具備模擬電子電路的理論知識；具備模擬電路基本電路的設(shè)計能力；具備模擬電路的基本調(diào)試手段；自選相關(guān)電子器件；可以使用實驗室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：（包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1、頻率范圍三段：10100Hz，100 Hz1KHz，1 KHz10 KHz；2、正弦波Uopp3V，三角波Uopp5V，方波Uopp14V；3、幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真??；4、安裝調(diào)試并完成符合學(xué)校要求的設(shè)計說明書時間安排：一周，其中3天硬

2、件設(shè)計，2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日目 錄1.概論.1 1.1.12.方案設(shè)計與論證.3 2.1.33.單元電路設(shè)計.9 3.1方波發(fā)生電路的工作原理.9 3.2三角波正弦波電路的工作原理.10 3.3 電路參數(shù)選擇及計算.6 3.4.正負12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計.7 3.5 總電路圖.84.電路仿真.11 4.1 方波三角波發(fā)生電路.11 4.2三角波正弦波發(fā)生電路.115.實物制作.12 5.1 焊接原理.12 5.2 焊接工具及材料.12 5.3 焊接方法及步驟.13 5.4 電路板實物圖.146.性能參數(shù).7.數(shù)據(jù)分析.168.實驗總結(jié).

3、219.參考書.2210.附錄.23附錄1：原件清單.22附錄2：原理圖.22附錄3：本科生課程設(shè)計成績測定表.241.概論 在人們認識自然、改造自然的過程中，經(jīng)常需要對各種各樣的電子信號進行測量，因而如何根據(jù)被測量電子信號的不同特征和測量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號各種波形，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)。可見信號源在各種實驗應(yīng)測試處理中，它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試、信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。 波形發(fā)生器就是信號源的一種，能夠給被測電路提供

4、所需要的波形。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能根據(jù)實際需要靈活擴展。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，運用單片機技術(shù)，通過巧妙的軟件設(shè)計和簡易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調(diào)的信號。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別在人們認識自然、改造自然的過程中，經(jīng)常需要對各種各樣的電子信號進行測量，因而如何根據(jù)被測量電子信號的不同特征和測量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。信號源主要給被測電路提供所需的已知信號(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)

5、。可見信號源在各種實驗應(yīng)用和實驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。 波形發(fā)生器就是信號源的一種，能夠給被測電路提供所需要的波形。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，16不能根據(jù)實際需要靈活擴展。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，運用單片機技術(shù)2.方案設(shè)計與論證2.1信號產(chǎn)生電路方案一 正弦波 方波 三角波積分電路電壓比較器RC正弦波振蕩電路 圖1-2 正弦波、方波、三角波信號發(fā)生器的原理框圖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三角波函數(shù)發(fā)生

6、器的設(shè)計方法，電路框圖如圖1-2。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三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時改變。若要保持三角波幅度不變，需同時改變積分時間常數(shù)的大小。方案二本方案采用由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正

7、弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器具有工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時，可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。 此方法已用，但差分很難調(diào)實際和仿真有較大差別；因此舍去。方案三此電路結(jié)構(gòu)、思路簡單，運行時性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計要求，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。但RC濾波性能不太好3.單元電路設(shè)計由于考慮成本，方案實現(xiàn)簡單，電路性能等問題用方案三。3.1方波發(fā)生電路的工作原理圖3.1.1工作原理如下：若a點斷開，運算放大

8、器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。由圖3.1.2分析可知比較器有兩個門限電壓運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1時，則輸出積分器的電壓為當(dāng)Uo1=+VCC時當(dāng)Uo1=-VEE時可見積分器輸入方波時，輸出是一個上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖3.1.2所示。圖3.1.2 a點閉合，即比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為 方波-三角波的頻率為由上分析可知： 位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓。三角波的輸出

9、幅度應(yīng)不超過電源電壓。電位器RP1可實現(xiàn)幅度上午微調(diào)，但會影響波形的頻率。由于因此取R3=10k,則R3+RP1=30 k，取R3=20k, RP1為47 k的電位器。取平衡電阻R1=R2/（R3+RP1）10 k。因為當(dāng)10Hzf100Hz時，取C2=1F，則R4+RP2=（757.5）k，取5.1 k，RP2為100 k電位器。當(dāng) 19Hzf100Hz，取C2=1F以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4、RP2的值不變。取平衡電阻R5=10 k。三角波正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得大，因為輸出頻率較低，取C3=C4=C5=470F，濾波電容C6一般為幾十皮法至0.1F。

10、RE2=100與RP4=100，相并聯(lián)，以減少差分放大器的線性區(qū)。差分 放大器的靜態(tài)工作點可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3.2三角波正弦波的變換 三角波-正弦波的變換電路主要由RC二階低通有源濾波器來完成。根據(jù)三角波 圖3.2的傅里葉變換展開式得知，三角波是由基波，三次諧波以及所有奇數(shù)次諧波等疊加而成的，其中三次諧波的幅值大概只有基波幅值的九分之一甚至更小，并且選頻網(wǎng)絡(luò)所選出的基波本來就會衰減到原來三角波幅值的圓周率/4倍。于是，二階無源RC低通選頻網(wǎng)絡(luò)，（大約信號頻率沒增大3倍，失真就會出現(xiàn)）。此外，為了得到10Hz甚至更低的頻率的信號，以及10KHZ甚至更高頻率的信號，

11、需補增3-10HZ及10KHZ-30KHZ的濾波網(wǎng)絡(luò)。最后，電位器便能實現(xiàn)幅度連續(xù)可調(diào)節(jié)，但由于時間限制只做了二階低通濾波器實驗證明可濾100hz到幾khz的波形較好。但因選的RC是濾100hz的波形，因此到幾k的時候幅值很小所以可以用幾個RC濾波器使電路性能更好。 經(jīng)討論，為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見要求。 3.3.正負12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計 圖3.3實際考慮到運放軌到軌用正負十二伏，但實測出來九伏電壓更能滿足實驗要求。4.電路仿真4.1 方波三角波發(fā)生電路4.2三角波正弦波發(fā)生電路圖4.1.1 圖4.1.24.2 三角波正弦波發(fā)生電路 圖4.2.1 圖4.2.25實際波形 圖5.1

12、圖5.2圖5.3 圖5.4 圖5.5 圖5.6 圖5.76 數(shù)據(jù)分析6.1方波測試結(jié)果 ：輸出電壓13.6v；頻率12.3hz-10k可調(diào)；6.2三角波 測試結(jié)果：輸出電壓5v，可調(diào)2.5-7v，頻率可調(diào)；和方波一樣。6.2正弦波測試結(jié)果：輸出電壓500mv-3.3v,頻率和方波一樣。6.2電源測試結(jié)果：輸出+12.04v，-11.89v。（實際用9v左右）。7.實驗總結(jié)這個電路的特點是頻率可調(diào)，。不足之處在于導(dǎo)線過長，分立元件太多。這次遇到的問題主要是在設(shè)計過程沒有考慮到的方面較多，在調(diào)試時才發(fā)現(xiàn)很多問題。比如原理問題。焊接時還發(fā)現(xiàn)了實物制作的基本功不是很牢。焊出來的引腳不是特別美觀。我發(fā)現(xiàn)

13、一事實上要在電路設(shè)計中，應(yīng)該仔細認證，從中我們可以學(xué)到很多東西，可以提高自己發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，使自己的動手能力有一定的提高。出現(xiàn)故障時要積極面對，在檢查線路時一定要有耐心，不要因為麻煩就放棄。遇見錯誤要一步一步的按照原理圖來，先一步一步的測試，然后整體測試。不要沒順序沒條理，這里測一下那里測一下，最后又什么都沒查出來，那樣既浪費了時間又浪費了精力。在設(shè)計時方案的選擇很重要，要注意分析可能會遇到的問題。這次的制作其實走了一些彎路。中間過程中更改了一次方案，也花了不少時間。其實我們需要的是冷靜的頭腦。這個設(shè)計其實還可以有很多改進的地方，比如布線時將導(dǎo)線布粗布短一些?？梢詫⒃牟季指臑楦侠硪恍?。并且盡量少在輸入輸出線上串聯(lián)器件。這些都可以提高性能。8.參考書 1謝自美.電子線路設(shè)計·實驗·測試. 湖北：華中科技大學(xué)出版社, 2006 2康華光.模擬電子技術(shù)