正弦波方波三角波發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、一 設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)目的 1 掌握電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般方法。2 培養(yǎng)綜合應(yīng)用理論知識(shí)指導(dǎo)實(shí)踐的能力。 3 掌握電子元件的識(shí)別和測(cè)試。 4 了解電路調(diào)試的基本方法。1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 1 設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生正弦波方波三角波的函數(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、方波和三角波。3 可以用±12V或±15V直流穩(wěn)壓電源供電。1.3 課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)1輸出波形頻率范圍0.02hz20khz且能連續(xù)可調(diào)。 2 正弦波幅值為±2V。 3方波幅值為2V。 4三角波峰峰值為2V且占空比可調(diào)。二 方案比較與論證 2.1方案一方案一采用LC正弦波

2、振蕩電路、電壓比較器、積分電路，構(gòu)成正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器。LC正弦波振蕩電路具有容易起振、振幅大、頻率調(diào)節(jié)范圍寬等特點(diǎn)，但是輸出波形較差。LC正弦波振蕩電路 電壓比較器 積分電路圖2.1.1 方案一 原理框圖 2.2方案二方案二采用石英晶體正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，石英晶體正弦波振蕩電路具有振蕩頻率穩(wěn)定度高的優(yōu)點(diǎn)，但其頻率調(diào)節(jié)性能較差且受環(huán)境溫度影響大。石英晶體正弦波振蕩電路 電壓比較器 積分電路圖2.2.1 方案二 原理框圖2.3方案三方案三首先用一個(gè)RC振蕩電路產(chǎn)生正弦波，然后在用一個(gè)電壓比較器產(chǎn)生方波，最后在方波基礎(chǔ)上利用積分電路產(chǎn)生三角波。電路框圖如圖2.3.1所示。 RC正

3、弦波振蕩電路 電壓比較器 積分電路 圖2.3.1 方案三 原理框圖 綜上三種方案，方案一雖然對(duì)頻率的調(diào)節(jié)性能好，但輸出波形較差；方案二振蕩頻率穩(wěn)定性好，但頻率不易調(diào)節(jié)，且受環(huán)境影響大，對(duì)電子元件要求也較高；方案三能實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)，具有簡(jiǎn)單容易操作等優(yōu)點(diǎn)，而且對(duì)電子元件的要求也不高，都為常用元件。綜上所述，方案三為最佳方案。三 系統(tǒng)組成及工作原理3.1正弦波發(fā)生電路的工作原理3.1.1 產(chǎn)生正弦波的振蕩條件所謂正弦振蕩，是指在不加任何輸入信號(hào)的情況下，由電路自身產(chǎn)生一定頻率、一定幅值的正弦波電壓輸出。 (a) (b) 圖3.1.1 正弦波振蕩電路的方框圖正弦波振蕩電路的方框圖如圖3.1.1示

4、，上一方框?yàn)榉糯箅娐罚乱环娇驗(yàn)榉答伨W(wǎng)絡(luò)。圖（b）中，電路和閘通電后，在電擾動(dòng)下，對(duì)于某一特定頻率f0的信號(hào)形成正反饋。 由于半導(dǎo)體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。即表明正弦波振蕩電路的平衡條件為： 而平衡條件又分為幅值平衡條件和相位平衡條件，即： 幅值平衡條件 相位平衡條件所以電路的起振條件為：3.1.2 正弦波發(fā)生電路的組成及各部分的作用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；要產(chǎn)生按振蕩還必需要滿足幅值條件；要保證輸出頻率單一且實(shí)現(xiàn)頻率的可控，必需要有選頻網(wǎng)絡(luò)；同時(shí)還應(yīng)具備穩(wěn)幅特性。因此，正弦波產(chǎn)生電路主要有放大電路、反饋

5、網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。（1) 放大電路：保證電路能夠有從起振到動(dòng)態(tài)平衡的過(guò)程，電路獲得一定幅值的輸出值。（2) 正反饋網(wǎng)絡(luò)：滿足相位條件，放大電路的輸入信號(hào)等于其反饋信號(hào)。（3) 選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率，使電路產(chǎn)生單一頻率的信號(hào)，保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩。（4) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：即非線性環(huán)節(jié)，穩(wěn)定輸出信號(hào)的幅值。3.1.3 判斷電路是否振蕩。判斷電路能否產(chǎn)生正弦波振蕩的方法： （1）觀察電路是否存在放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)等四個(gè)重要組成部分。 （2）放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，能否正常放大，靜態(tài)工作是否合適。（3） 電路是否滿足起振的幅度條件。若能滿足相位平衡條件，又能滿

6、足起振條件，則說(shuō)明該電路一定會(huì)產(chǎn)生正弦波振蕩。正弦波振蕩電路檢驗(yàn)，若： (1) 則不可能振蕩； (2) 產(chǎn)生振蕩，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3.1.4 RC橋式正弦波振蕩電路RC橋式正弦波振蕩電路的特征是以集成運(yùn)放為中心，以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，其電路如圖3.1.2所示 圖3.1.2 RC橋式正弦振蕩電路 電路的起振條件：Rf 2R1 振蕩頻率：f=1/2RC可通過(guò)調(diào)整R和C的數(shù)值來(lái)改變振蕩頻率，要想提高振蕩頻率，則要減小R和C或減少兩者之一。3.2電壓比較器的工作原理3.2.1 單限比較器 圖3.2.1過(guò)零

7、比較器將集成運(yùn)放的一個(gè)輸入端接地，另一個(gè)輸入端接輸入信號(hào)，就構(gòu)成過(guò)零比較器，其電路和電壓傳輸特性如圖3.2.1所示。當(dāng)UI > 0 時(shí)，輸出一個(gè)低電平 UO UOM； UI < 0 時(shí) ，輸出一個(gè)高電平，UO UOM 。3.2.2 滯回比較器圖3.2.2滯回比較器該電路的作用是將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)，其傳輸特性曲線如圖3.2.2（b）所示。電壓比較器輸出電壓：Uo= ±UZ UP=±R1/(R1+R2)Uz令UN=UP求出的UI就是閥值電壓，因此得出±UT= ±R1/(R1+R2)Uz假設(shè)UI<-UT，則UN小于Up，因而UO+UZ，

8、UP=+UT。只有當(dāng)輸人電壓UI增大到+UT，再增大一個(gè)無(wú)窮小量時(shí)，輸出電壓UO才會(huì)從高電平+UZ躍變?yōu)?UZ。同理，假設(shè)UI>+UT，那么UN大于UP，因而UO-UZ，UP-UT。只有當(dāng)輸人電壓UI減小到-UT，再減小一個(gè)無(wú)窮小量時(shí)，輸出電壓UO才會(huì)從低電平-UZ躍變?yōu)楦唠娖?UZ。因此，圖（a）所示電路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-UZ，也可能是+UZ。這取決于UI是從小于-UT，還是從大于+UT變化而來(lái)的，即曲線具有方向性，如圖（b)所示。實(shí)際上，由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模增益不是無(wú)窮大，只有當(dāng)它的差模輸人電壓足夠大時(shí)，輸出電

9、壓UO才為±UZ。UI在從+UT變?yōu)?UT或從-UT變?yōu)?UT的過(guò)程中，隨著UI的變化，將經(jīng)過(guò)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(guò)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)閁T，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。3.3積分電路的工作原理電路組成:用積分電路將正弦波轉(zhuǎn)換為方波其電路如圖3.3.1所示 圖3.3.1 積分電路當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，其輸出信號(hào)為三角波，其傳輸特性曲線如圖3.3.2示：圖3.3.2方波-

10、三角波四 系統(tǒng)中各模塊電路的設(shè)計(jì)4.1 正弦波發(fā)生電路設(shè)計(jì) 頻率可調(diào)的RC橋式振蕩電路如圖4.1.1所示 圖4.1.1 振蕩頻率可調(diào)的RC橋式正弦振蕩電路4.1.1 頻率調(diào)節(jié)電路產(chǎn)生正弦波的頻率為：f= f=1/2RC。可通過(guò)改變電位器的阻值來(lái)改變電路的頻率，還應(yīng)設(shè)置多個(gè)電容，每個(gè)電容對(duì)應(yīng)一個(gè)檔位，輸出一定頻率范圍內(nèi)的波形。當(dāng)C2=C5=0.001uF時(shí)若電位器R11和R12同時(shí)調(diào)到最大，則1.51KHZ若電位器R11和R12同時(shí)調(diào)到最零，則31.2KHZ 當(dāng)C1=C4=0.01uF時(shí)若電位器R11和R12同時(shí)調(diào)到最大，則151HZ若電位器R11和R12同時(shí)調(diào)到最零，則 3.12KHZ同理，當(dāng)

11、電容為0.1uF、1uF、10uF、100uF時(shí)，頻率的調(diào)節(jié)范圍為：15.1HZ312HZ、1.51HZ31.2HZ、0.15HZ3.12HZ、0.015HZ0.312HZ。 由上述個(gè)式可知，相鄰檔位的頻率相互覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。4.1.2 幅值調(diào)節(jié) 可通過(guò)調(diào)節(jié)電路中電位器R4阻值的大小來(lái)改變輸出波形的幅度，與R4串聯(lián)的兩個(gè)正反倒向的二極管，起到穩(wěn)定輸出電壓幅值的作用。正弦波振蕩電路仿真輸出波形如圖4.1.2所示：圖4.1.2 正弦波振蕩電路仿真波形4.2 正弦波轉(zhuǎn)換成方波電路設(shè)計(jì)圖4.2.1 正弦波-方波電路 該電路用的為過(guò)零比較器，圖中用到的穩(wěn)壓管起到穩(wěn)定方波幅值的作用，若所加為

12、2V穩(wěn)壓管，則輸出方波幅值為2V。電路仿真輸出波形如圖4.2.2所示圖4.2.2 正弦波轉(zhuǎn)換為方波電路仿真波形4.3 方波轉(zhuǎn)換成三角波電路設(shè)計(jì) 圖4.3.1 方波-三角波電路該電路為一個(gè)積分電路，通過(guò)此積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波輸出電壓：U0=-+u0(t1) 可通過(guò)改變滑動(dòng)變阻的阻值來(lái)改變?nèi)遣ǖ姆宸逯?。仿真輸出波形如圖4.3.2所示 圖4.3.2 方波-三角波仿真輸出波形4.4系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總電路圖為： 圖4.1.1 系統(tǒng)總電路圖圖4.1.2 系統(tǒng)電路仿真輸出波形五 電路調(diào)試電路分為三部分，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；第二部分為電壓比較器電路

13、，其功能是將正弦波轉(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)成三角波；5.1 RC正弦波振蕩電路調(diào)試確定好電路和元件參數(shù)后，先進(jìn)行元件的排版和布局，然后采取分塊焊接的方法焊接電路。先完成RC正弦波振蕩電路部分，完成后，接通電源，用示波器觀察是否有正弦波產(chǎn)生。一開(kāi)始沒(méi)有正弦波產(chǎn)生，首先對(duì)電路進(jìn)行了檢查，是否存在短路、虛焊等問(wèn)題；在排除電路和焊接問(wèn)題后，檢查電源是否連接錯(cuò)誤。最后得出的結(jié)果是，連接電源時(shí)，沒(méi)有將“地”連接上，待連上“地”后，接上示波器，觀察到了正弦波。波形出來(lái)后，調(diào)節(jié)電位器，觀察其頻率是否能連續(xù)可調(diào)，正弦波幅值能否達(dá)到2V。5.2 電壓比較器電路調(diào)試正弦波出來(lái)后，接

14、著完成電壓比較器電路部分，用示波器觀察，能觀察到方波，但方波的幅值過(guò)大，沒(méi)有達(dá)到要求的2V，在排除第一部分正弦波振蕩電路的問(wèn)題后，發(fā)現(xiàn)電壓比較器中選用的穩(wěn)壓管穩(wěn)幅電壓過(guò)大，換上2V穩(wěn)壓管后，方波幅值達(dá)到了要求。問(wèn)題解決后，繼續(xù)完成下一部分。5.3 積分電路調(diào)試 方波部分完成后，繼續(xù)完成最后一部分積分電路，波形出來(lái)后，接著進(jìn)行整個(gè)電路系統(tǒng)的調(diào)試。5.4 系統(tǒng)電路調(diào)試 整個(gè)電路完成后，對(duì)電路進(jìn)行整體的測(cè)試，若波形存在失真，則應(yīng)進(jìn)一步完善，將波形調(diào)到最佳狀態(tài)，所有波形出來(lái)后，則完成了設(shè)計(jì)的基本要求，接下來(lái)完成提高要求。第一步、對(duì)RC正弦波振蕩電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)正弦波振蕩電路放大環(huán)節(jié)的電位器，正弦波幅

15、值能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的正負(fù)2V，同時(shí)調(diào)節(jié)RC選頻網(wǎng)絡(luò)電位器的阻值（保持兩電位器阻值相等），其頻率能實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。RC正弦波振蕩電路部分完成了設(shè)計(jì)要求。第二步、對(duì)電壓放大器進(jìn)行調(diào)節(jié)，方波幅值能達(dá)到2V，方波部分達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第三步、調(diào)節(jié)積分電路電位器的阻值，使三角波峰峰值達(dá)到2V。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的調(diào)節(jié)后，基本完成了設(shè)計(jì)的所有要求。六 心得體會(huì)此次課程設(shè)計(jì)是我第一參與電子作品的設(shè)計(jì)和制作，從查資料、到設(shè)計(jì)電路、再到仿真，完成焊接，調(diào)試電路，感覺(jué)收獲很多。電子設(shè)計(jì)不僅僅是簡(jiǎn)單的從書(shū)上找一個(gè)電路圖，然后焊接起來(lái)。開(kāi)始設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先準(zhǔn)備多種方案，然后進(jìn)行比較論證，根據(jù)現(xiàn)有條件，選擇最佳方案；方案確定后，再完成

16、電路的焊接，焊接前應(yīng)注意元件的布局，盡可能使電路變得美觀，電路完成后，根據(jù)電路模塊化的原則，將電路分為三部分，分別進(jìn)行調(diào)試。本次設(shè)計(jì)印象最深的是:電路模塊化理念。任何電子產(chǎn)品都不止一個(gè)電路，它是通過(guò)各個(gè)模塊組合起來(lái)的。因而在電路設(shè)計(jì)時(shí)，要注意電路模塊化理論。將本來(lái)非常復(fù)雜的電路分解成一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的單元電路，然后設(shè)計(jì)單元電路，單元電路設(shè)計(jì)起來(lái)就簡(jiǎn)單多了。最后將每個(gè)單元電路連接起來(lái)便成了一個(gè)復(fù)雜的，具有特定功能的電路。這種設(shè)計(jì)電路的思想在設(shè)計(jì)大型電路時(shí)尤為突出。本次設(shè)計(jì)中遇到了不少困難，但在老師同學(xué)的幫助下、在自己的努力下，還是一個(gè)一個(gè)的將問(wèn)題解決了！個(gè)人感覺(jué)收獲最大的就是學(xué)會(huì)了設(shè)計(jì)電路的和調(diào)試電路的一般方法。當(dāng)然從這此次課設(shè)中也發(fā)現(xiàn)自己存在一些不足的地方，像動(dòng)手方面還有些欠缺，以后要多實(shí)踐，多參加類(lèi)似的訓(xùn)練，同時(shí)還要加強(qiáng)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，只有良好的理論基礎(chǔ)，才能更好的指導(dǎo)實(shí)踐。參考文獻(xiàn)1、華成英模擬電子技術(shù)基本教程清華大學(xué)出版社，20102、鄧謙、劉清平電子技術(shù)實(shí)踐2南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院電子實(shí)踐中心，20103、王港元.電工電子實(shí)踐指導(dǎo)（第二版）.江