簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 II頁(yè)目 錄1 緒論.11.1 課題描述.11.2 基本工作原理及框圖.12 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì).12.1 直流穩(wěn)壓電源電路.12.1.1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路.12.1.2 直流穩(wěn)壓電源工作原理.22.1.3 LM317 的功能特性.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。2.1.4 設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介.錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。2.2 正弦波發(fā)生電路.5 2.2.1 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇.52.3 方波發(fā)生器.62.4 三角波發(fā)生器.72.5 總電路圖.8總 結(jié).11致 謝.12參考文獻(xiàn).13課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第1頁(yè)1 緒論1.1 課題描述 在工業(yè)，科研和學(xué)校等單位和一般

2、無(wú)線電愛(ài)好者，維修人員都需要許多電子設(shè)備進(jìn)行必要的測(cè)量，在電子測(cè)量中又需要大量的、不同的測(cè)量?jī)x器和儀表，而信號(hào)發(fā)生器是重要的測(cè)量?jī)x器之一。在信號(hào)發(fā)生器重，最常用的波形包括：正弦波、方波和三角波。本設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于應(yīng)用模擬電子技術(shù)，采用集成運(yùn)算放大器，選用 RC 串并聯(lián)正弦波產(chǎn)生電路，實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出。采用限幅過(guò)零比較器實(shí)現(xiàn)方波輸出，進(jìn)而應(yīng)用反相積分電路產(chǎn)生三角波。1.2 基本工作原理及框圖本課程設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)有直流穩(wěn)壓電源電路、正弦波產(chǎn)生電路、過(guò)零比較器、反向積分電路。如圖 1。其基本工作原理：直流穩(wěn)壓電源電路作為電源。RC串并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出。采用限幅過(guò)零比較器實(shí)現(xiàn)方波的輸出，進(jìn)

3、而應(yīng)用反相積分電路產(chǎn)生三角波。 圖 1 原理框圖2 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 2.1 直流穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源，輸出電壓 12v，輸出電流不小于 1000mA，輸入交流電壓220v，頻率 50Hz。2.1.1 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)思路（1）電網(wǎng)供電電壓交流 220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。（2）降壓后的交流電壓，通過(guò)整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動(dòng)大） 。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第2頁(yè)（3）脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過(guò)濾波電路變成平滑的，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。（4）濾波后的直流電壓，再通過(guò)穩(wěn)壓電

4、路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載 RL。2.1.2 直流穩(wěn)壓電源工作原理直流穩(wěn)壓電源是一種將 220V 工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成，如圖 3。T 工頻交流脈動(dòng)直流 直流整流濾波穩(wěn)壓負(fù)載圖 3 直流穩(wěn)壓電源原理圖其中：（1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng) 220V 交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定。（2）整流電路：利用單向?qū)щ娫?50Hz 的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平

5、滑的直流電壓。（4）穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。整流電路常采用二極管單相全波整流電路，電路如圖 4 所示。在u2 的正半周內(nèi)，二極管 D1、D2 導(dǎo)通，D3、D4 截止；u2 的負(fù)半周內(nèi)，D3、D4 導(dǎo)通，D1、D2 截止。正負(fù)半周內(nèi)部都有電流流過(guò)的負(fù)載電阻 RL，且方向是一致的。電路的輸出波形如圖 5 所示1。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第3頁(yè) 圖 4 整流電路 圖 5 波形變換 在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過(guò)每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半，即 。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為(U2是變壓器副邊電

6、壓有效值)。22U在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過(guò)電感器的電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=(1.11.2)U2，直流輸出電流： （I2是變壓器副邊電流的有效值。 ）2，穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。總體原理電路如圖 6。 圖 6 直流穩(wěn)壓電源電路圖121ofII25.121IIo課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第4頁(yè)圖 2 LM317 引腳圖2.1.3 LM317 的功能特性LM317 其特性參數(shù)：輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V37V輸出負(fù)載電流：1.5A輸入與輸出工作壓差 U=Ui-Uo：

7、340V。2.1.4 設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介 （1） 輸出電壓表達(dá)式為: 11125. 1RRPUo式中，1.25 是集成穩(wěn)壓塊輸出端與調(diào)整端之間的固有參考電壓，此電壓加于給REFV定電阻兩端，將產(chǎn)生一個(gè)恒定電流通過(guò)輸出電壓調(diào)節(jié)電位器，電阻常取值1R1RP1R，一般使用精密電位器，與其并聯(lián)的電容器 C 可進(jìn)一步減小輸出電壓的2401201RP紋波。圖中加入了二極管 D，用于防止輸出端短路時(shí) 10F 大電容放電倒灌入三端穩(wěn)壓器而被損壞3。LM317 其特性參數(shù)：輸出電壓可調(diào)范圍：1.2V37V輸出負(fù)載電流：1.5A輸入與輸出工作壓差 U=Ui-Uo：340V能滿足設(shè)計(jì)要求,故選用 LM317 組成穩(wěn)壓電路

8、8。（2）選擇電源變壓器1）確定副邊電壓 U2:課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第5頁(yè)根據(jù)性能指標(biāo)要求：Uo=12V其中：（Ui-Uo）min=15V，(Ui-Uo)max=52V 15VUi52V此范圍中可任選 ：Ui=20V=Uo1根據(jù) Uo1=(1.11.2)U2可得變壓的副邊電壓：VUUO1715. 1122）確定變壓器副邊電流 I2 Io1=Io又副邊電流 I2=(1.52)IO1 取 IO=IOmax=800mA則 I2=1.50.8A=1.2A 3）選擇變壓器的功率 變壓器的輸出功率：PoI2U2=20.4W 4）選擇整流電路中的二極管 變壓器的副邊電壓 U2=17V 橋式整流電路中的二極管承受

9、的最高反向電壓為：VU2422 橋式整流電路中二極管承受的最高平均電流為：AIo4 . 028 . 02 查手冊(cè)選整流二極管 IN4001，其參數(shù)為：反向擊穿電壓 UBR=50V24V 最大整流電流 IF=1A0.4A9。 2.2 正弦波發(fā)生電路正弦波發(fā)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，我們一般是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)生振蕩的首要條件，它又被稱(chēng)為相位條件；產(chǎn)生振蕩還必須滿足幅度條件；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。

10、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)幅電路四個(gè)部分。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第6頁(yè)2.2.1 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)選擇 RC 橋式正弦波振蕩電路如圖所示。其中 R1、C1 和 R3、C4 為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、RW 及 R4 組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié) RW 可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。圖 7 正弦波發(fā)生電路為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負(fù)反饋回路里加入非線性元件來(lái)自動(dòng)調(diào)整負(fù)反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。為了維持振蕩輸出，必須讓 3156

11、RR為了保證電路起振，起振的幅值條件：3156RR電路的振蕩頻率 ：, 因?yàn)楝F(xiàn)頻率可調(diào)范圍是：20Hz-RCf210)(12RRR200kH 所以,5031 RRKRRR10642uFCC1 . 041uFCC152。uFCC10632.3 方波發(fā)生器課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第7頁(yè) 過(guò)零比較器主要用來(lái)將輸入信號(hào)與零電位進(jìn)行比較，以決定輸出電壓的極性。放大器接成開(kāi)環(huán)形式，信號(hào) ui 從反向端輸入，同相端接地。當(dāng)輸入信號(hào) ui 0 時(shí)輸出 uo 為負(fù)極限值-UOM。其傳輸特性如圖 84。圖 8 過(guò)零比較器的傳輸特性 所以通過(guò)該電路輸出的電壓值，就可以鑒別輸入信號(hào)電壓 ui 是大于零還是小于零，即可用做信號(hào)

12、電壓過(guò)零的檢測(cè)器。當(dāng)輸入信號(hào) ui 為正弦波，在 ui 過(guò)零時(shí)，比較器的輸出就跳變一次，因此，uo 為正、負(fù)相間的方波電壓；由于穩(wěn)壓管的作用所以 Uom=6v， Uom=-6v圖 9 過(guò)零比較器的原理圖課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第8頁(yè) 圖 10 方發(fā)生電路波形圖2.4 三角波發(fā)生器反相積分器電路的輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的積分電路的基本運(yùn)算關(guān)系是ttiOdtUCRu011當(dāng) Ui 為恒定直流電壓時(shí)輸出電隨時(shí)間作線性變化，其上升和下降斜率隨tUCRuiO11R、C 和 Ui的改變而變化5。 圖 11 積分電路 圖 12 積分電路輸入輸出波形圖變換為三角波，就是要對(duì)方波的每半個(gè)周期分別

13、進(jìn)行不同方向的積分運(yùn)算。 當(dāng)方波為正半周時(shí)，相當(dāng)于向積分電路輸入正的階躍信號(hào)；當(dāng)方波為負(fù)半周時(shí)，相當(dāng)于向課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第9頁(yè)積分電路輸入負(fù)的階躍信號(hào)。如圖 126。2.5 總電路圖簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器的總電路圖如圖 12 所示，該電路由 RC 串并聯(lián)電路構(gòu)成正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)，然后用過(guò)零比較器產(chǎn)生方波，最后經(jīng)過(guò)積分電路產(chǎn)生三角波。當(dāng)閉合開(kāi)關(guān)，閉合時(shí)，R1、C1 和 R3、C4 為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放1S4S大器的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、RW 及 R4 組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié) RW 可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振

14、蕩的幅度條件，從而產(chǎn)生正弦波。然后經(jīng)過(guò)過(guò)零比較器將輸入信號(hào)與零電位進(jìn)行比較，以決定輸出電壓的極性。放大器 O2 接成開(kāi)環(huán)形式，正弦信號(hào) ui 從反向端輸入，同相端接地。當(dāng)輸入信號(hào) ui 0 時(shí)輸出 uo 為負(fù)極限值-UOM。從而產(chǎn)生方波，方波輸入由運(yùn)放 O3 構(gòu)成的反向積分電路，反相積分器路的輸出電壓與輸入電壓成積分關(guān)系，由運(yùn)算放大器構(gòu)成的積分電路的基本運(yùn)算關(guān)系是。ttiOdtUCRu011當(dāng)方波為正半周時(shí)，相當(dāng)于向積分電路輸入正的階躍信號(hào)；當(dāng)方波為負(fù)半周時(shí)，相當(dāng)于向積分電路輸入負(fù)的階躍信號(hào)，所以最后輸出三角波。 當(dāng)閉合，或閉合，時(shí)，原理同上，但是正弦波的頻率將會(huì)改變，方波三2S5S3S6S角

15、波的周期也將改變。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第10頁(yè) 圖 13 簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器總電路圖課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第11頁(yè) 總 結(jié)本設(shè)計(jì)的直流穩(wěn)壓電源采用了變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓等電路，RC 串并聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)正弦波的輸出。采用限幅過(guò)零比較器實(shí)現(xiàn)方波的輸出，進(jìn)而應(yīng)用反相積分電路產(chǎn)生三角波。 這次課程設(shè)計(jì)中我遇到了很多很多的難題，雖然很多都是學(xué)過(guò)的東西，但是做起來(lái)并沒(méi)有那么的簡(jiǎn)單，雖然原理圖比較簡(jiǎn)單，但是元件的參數(shù)卻并不好確定，而且word 用的也不是太好，很多東西都寫(xiě)不出來(lái)，這次課程設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，不僅是鞏固了先前學(xué)的模電、數(shù)電的理論知識(shí)，而且也培養(yǎng)了我的動(dòng)手能力，更令我的創(chuàng)造性思維得到拓展。同時(shí)也認(rèn)識(shí)到設(shè)計(jì)思路是

16、至關(guān)重要的。只有對(duì)課題的充分理解，對(duì)各種器件的熟練掌握，勾畫(huà)出基本的設(shè)計(jì)圖是成功的關(guān)鍵，必須多花時(shí)間在設(shè)計(jì)上才能為后續(xù)工作提供更扎實(shí)的基礎(chǔ)。翻閱各種資料，上網(wǎng)查詢(xún)填補(bǔ)所需知識(shí)的空白是必要的。 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第12頁(yè) 致 謝 首先感謝老師的指導(dǎo)，在組員們的努力下，和同學(xué)們的互相幫助，互相啟示，最終設(shè)計(jì)出電路來(lái)，非常感謝在過(guò)程中幫助過(guò)我們的每一個(gè)人！ 在電路設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我懂得了許多以前未懂或者不太懂的知識(shí)，也得到了許多同學(xué)的寶貴建議，同時(shí)還得到他們的支持和幫助，在這次的設(shè)計(jì)里面，充分驗(yàn)證同學(xué)們的團(tuán)結(jié)，積極，主動(dòng)精神，在此一并致以誠(chéng)摯的謝意。 最后，向在百忙中抽出時(shí)間對(duì)本文進(jìn)行評(píng)審并提出寶貴意見(jiàn)的各位老師表示衷心地感謝！課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第13頁(yè)參考文獻(xiàn) 1 楊素行模擬電子技術(shù)簡(jiǎn)明教材（第二版）M，北京：高等教育出版社，1998.10 2 江曉安.