設計制作正弦波-方波-三角波函數轉換器

1、物理與電子信息學院模擬電路課程設計成績評定表專業(yè)：電子科學與技術班級：07電子本學號： 姓名： 課題名稱設計制作正弦波-方波-三角波函數轉換器設計任務與要求輸出波形頻率范圍為0.2KHz20kHz且連續(xù)可調；正弦波幅值為2V，；方波幅值為2V；三角波峰-峰值為2V，占空比可調；用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的正負直流電源（12V）。設計報告成績評分標準：有合理的方案設計和論證、電路參數的計算、總原理圖和清單。（0-20分）電路板制作、調試規(guī)范，有詳細制作和調試過程。（0-10分）電路板測試合理，對性能指標測試數據完整，正確；進行數據處理規(guī)范，進行了誤差計算和誤差分析。（0-15分

2、）對課程設計進行了總結，有體會，并能提出設計的改進、建設性意見。 （0-5分）設計報告成績：電子作品成績評分標準：電路正確，能完成設計要求提出的基本功能。（0-30分）電路板焊接工藝規(guī)范，焊點均勻，布局合理。（0-20分） (其中直流電源部分占20%，功能部分80%)電子作品成績：課程設計成績 總成績：指導教師：2009年7月2日模擬電路課程設計報告設計課題： 正弦波-方波-三角波函數轉換器 專業(yè)班級： 07電子科學與技術 學生姓名： 學號： 指導教師： 設計時間： 2009年6月30 正弦波-方波-三角波函數轉換器的設計一、設計任務與要求 輸出波形頻率范圍為0.2KHz20kHz且連續(xù)可調；

3、 正弦波幅值為2V； 方波幅值為2V； 三角波峰-峰值為2V，占空比可調；用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路設計電路所需的二、方案設計與論證波形產生電路通常課采用多種不同電路形式和元器件后的所要求的波形信號輸出。波形產生電路的關鍵部分是振蕩器，而設計振蕩器電路的關鍵是選擇有源器件，確定振蕩器電路的形式以及確定元件參數值等。具體設計可參考一下方案。方案一、文氏橋式振蕩器（RC串-并聯(lián)正弦波振蕩器）產生正弦波輸出，其主要特點是采用RC串-并聯(lián)網絡作為選頻和反饋網絡，其振蕩頻率f0=1/（2RC），改變RC的數值，可得到不同頻率的正弦波信號輸出。用集成運放構成電壓比較器，將正弦波信號變換成方波信號輸出

4、。用運放構成積分電路，將方波信號變換成三角波或鋸齒波信號輸出。該電路的優(yōu)點是：發(fā)生信號的非線性失真小，缺點是：調試過程煩瑣，所需元器件多，制作難度大，成本較高方框圖：文氏橋振蕩器 方波形成電路三角波形成電路方案二、用uA741構成信號發(fā)生電路，把正弦波信號轉換成方波信號再轉變成鋸齒波信號，該電路調試過程較簡單，容易實現(xiàn)波形的轉換，制作簡單三、單元電路設計與參數計算 直流電源:直流電源由電源變壓器，整流電路，濾波電路，穩(wěn)壓電路四部分構成穩(wěn)壓電源的組成框圖 負載穩(wěn)壓濾波整流變 壓交流 電源 電路圖整流，濾波電路用四個整流二極管組成單相橋式整流電路，將交流電壓2變成脈動的直流電壓,為了減小電壓的脈動

5、，再經濾波電容C1濾除紋波,輸出直流電壓Ui ，UI=1.2U2為了獲得較好的濾波效果，在實際電路中，應選擇濾波電容的容量滿足RLC=(35)T/2的條件。兩個二極管分別與LM7812和LM7912反向并聯(lián)，取到保護電路的作用。同時在后面有兩個發(fā)光二極管監(jiān)視電路。 2穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路中用三端固定穩(wěn)壓器組成固定電壓輸出電路，用為抗干擾電容，用以旁路在輸入導線過長時竄入的高頻干擾脈沖，i是用來改善輸出瞬變特性和防止電路產生自激振蕩所接的二極管對穩(wěn)壓器起保護作用，防止輸入端短路時2上電荷對穩(wěn)壓器內部放電使內部輸出管擊穿而損壞三端固定式集成穩(wěn)壓器構成穩(wěn)壓電路時要求輸入電壓i不能過低，iU03V根據輸

6、出電壓、電流選用三端集成穩(wěn)壓器及輸入電壓。信號發(fā)生部分1.正弦波部分用文氏橋電路,電路由放大電路、選頻網絡、正反饋網絡和穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四個部分組成。 放大電路應具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻以減少放大電路對選頻特性的影響，使振蕩頻率幾乎僅決定于選頻網絡，因此通常選用引入電壓串聯(lián)負反饋的放大電路。 正反饋網絡的反饋電壓Uf是同相比例運算電路的輸入電壓，因而要把同相比例運算電路作為整體看成電路放大電路，它的比例系數是電壓放大倍數，根據起振條件和幅值平衡條件有 Rf2R1 且振蕩產生正弦波頻率正弦波電路參數設計：由于RC橋式振蕩的振蕩頻率是由RC網絡決定的，因此選擇RC的值時，應把已知的振蕩頻

7、率作為主要依據。同時，為了使選頻網絡的特性不受集成放大器輸入和輸出電阻的影響，選擇R時還應考慮R應該遠遠大于集成遠放的輸出電阻，并且要遠遠小于集成遠放的輸入電阻。根據已知條件，由fo =1/（2RC）可以計算電容的值，實際應用時要選擇穩(wěn)定性好的電阻和電容。R1和Rf的值可以由起振條件來確定，通常取Rf=2.1R1，這樣可以保證起振又不會使輸出波形嚴重失真。 因為0.2KHz 20KHz 得R。又因Rf2R1取Rf=2.1R1 可得R1=。設計R要考慮失調電流及其漂移影響，應該取R=R1/Rf。綜合上述兩個條件可以算出R1的值為11.711.7K，則Rf應為24.4924.49K。實際應用時應當

8、調節(jié)這兩個電阻的值使其滿足要求。正弦波方波轉換部分 正弦波到方波的轉換采用的是過零比較器，從集成運放輸出端的限幅電路可以知道 U0=R3/(R3+R2)Uz由幅值是兩伏與及市產的情況，選所以選Uz=6.2的穩(wěn)壓管，如果選R3為1 K，則(R3+R2)的值約為3 K3. 方波鋸齒波轉換部分 此電路由反相輸入的過零比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，Un趨于+Uz；

9、但是，一旦Un0,Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un0,Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。UT=R2(R6+RW)U02m T=2R6(R6+RW)C3R7 運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R6稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U

10、+=U-=0時，比較器翻轉，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性.當輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo3為Uo=+Uz,D5導通,D6截止，Uo3=-1/(R6C)Uz(t1-t0)+Uo(t0)Uo=-Uz,D6導通,D5截止,Uo3=1/(R6+Rw)Uz(t2-t1)+Uo(t1)可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度不相等的占空比可調的鋸齒波.經計算，如果選R6=1k,則R7=10K，C=100nF.鋸齒波圖與方波圖如下：四、總原理圖及元器件清單1總原理圖2元件清單元件序號型號主要參數數量備注

11、AA7413R10K1R2K1R1K3R10K5可調R50K2可調雙聯(lián)通滑阻器50K1可調穩(wěn)壓管6.2V2R100K2可調DIN400710發(fā)光二極管2C3300F2C220F2C0.22F2C0.1F5三端穩(wěn)壓管LM7812CTLM7912CT各一個五、安裝與調試 對直流穩(wěn)壓電源測試其變壓器的原副邊電壓，整流、濾波電壓，穩(wěn)壓管輸入輸出電壓，如果測試值在誤差范圍內，說明滿足設計要求。靜態(tài)調試：用萬用表對電路板進行靜態(tài)測試，目的主要是為了防止虛焊或者漏焊。靜態(tài)調試沒有問題之后方可以到實驗室進行動態(tài)測試，主要測試參數有正弦波的幅值，輸出波形頻率范圍。再對方波、三角波、鋸齒波電路的靜態(tài)工作點進行測試

12、，即方波和鋸齒波的幅值。然后對電路進行動態(tài)測試。主要是測試方波、鋸齒波的振蕩頻率的調節(jié)范圍。注意用示波器測量幅值必須把所有的微調都調到順時針頂端。在測量數之前必須把波形先調好，只有在波形不失真的情況下才能測量參數，否則所測數據沒有任何意義。動態(tài)調試：正弦波產生電路的安裝與調試：1. 把UA741集成塊插入面包板，注意布局，焊點焊接；2. 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器、穩(wěn)壓管的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。頻率的調節(jié)：固定電容C不變，改變RC振蕩電路中R的值，在三角波幅值符合要求時，輸出波形頻率發(fā)生改變，測量頻率變化范圍.方波發(fā)生電路的安裝與調試：（1）.安裝方波產

13、生電路：1. 把UA741集成塊插入面包板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；3. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。(2)調試方波產生電路：1. 接入電源后，用示波器進行觀察；2. 調節(jié)R9，使方波的幅值滿足指標要求；3. 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部按裝。(3)三角波、鋸齒波發(fā)生電路的安裝與調試： 調試方法與方波相同。占空比調節(jié)：改變RW變中心滑頭，就可以實現(xiàn)占空比可調。六、性能測試與分析1.直流電源部分變壓器的原邊輸出電壓和波形整流電壓和波形濾波電壓和波形穩(wěn)壓管的輸出電壓正弦波發(fā)生部分的仿真電路圖方波發(fā)生部分的仿真電路圖三角波發(fā)生部分的防真電路圖

14、鋸齒波發(fā)生部分的防真電路數據處理和誤差計算（一） 直流電壓源1.變壓器的副邊輸出電壓為15.6V 理論 U=15V1=(15.6-15)/15*100%=4%2.整流濾波電壓穩(wěn)壓管的輸入電壓均為20.5V 理論 U=20V誤差2=（205-20）/20*100%=2.5% 3.穩(wěn)壓管輸出電壓UO1=+12V UO2=-11.9V 理論UO1=+12V UO2=-12V誤差3=（12-12）/12*100%=04=（12-119）/12*100%=0.833%(二)波形產生1輸出波形頻率范圍為200.42Hz20.843KHz且連續(xù)可調。2正弦波幅值為2.03方波幅值為2.04. 三角波峰-峰值

15、為2，占空比可調5=6=7=（2.0-2.0）、2.0*100%=0誤差分析1.參數設計不夠精確。 2.所選可調電阻的調節(jié)范圍太大，調節(jié)不夠精確。3.調試沒能很精確，產生的波形還有細微的失真現(xiàn)象，記錄數據時，讀數不精確導致誤差產生4.選用的實驗元件存在系統(tǒng)偏差5.選用的實驗元件受溫度的影響，實驗時間過長導致的誤差產生.6.集成運放不是理想運放，其運放性能指標對運算誤差有影響。7.焊點不均勻，或存在虛焊而引起誤差。改進該實驗，減少實驗誤差的方法：選取精確度較高的實驗器件，在選擇可變電阻時要考慮到其要調節(jié)的范圍，盡可能的選用與要用最大限度接近的可調電阻，在振蕩電路中可調電阻最好用雙滑式可調電阻在調

16、試過程中要盡可能的把波形調節(jié)到不失真，調節(jié)頻率時用同軸電位器，這樣不僅避免了調節(jié)困難，還能使調節(jié)的精確度更高七、結論與心得通過該實驗，我對RC振蕩電路，滯回比較器，反向積分運算電路有了更進一步的了解，將課本上所學的抽象的理論知識運用于實驗中，并加強了我的動手能力在做RC振蕩電路的實驗中，波形產生了交越失真，沒有很好的達到要求。 讓我了解最深的是，對方波產生電路，如果用單限比較器，輸入電壓在閾值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的變化，即其抗干擾能力差，所以我選擇用滯回比較器，它使輸出方波更理想。在三角波、鋸齒波輸出時，可以通過調整R10,R12的阻值可以改變三角波、鋸齒波的副值，通過調整R10,R12和Rw的阻值以及C的容量，可以改變振蕩周期，調整電位器滑動端的位置，可以改變其占空比，以及鋸齒波上升和下降的斜率，很好得實現(xiàn)要求。為了做好這次課程設計，我想了幾個方案。通過比較分析后選取最佳方案進行電路設計，但在RC串并聯(lián)選頻網絡R最好選用雙聯(lián)通滑阻器，才能更好地完成正弦波的輸出，可是在市場上并沒有賣到雙聯(lián)通滑阻器，使我在調節(jié)和測試輸出正弦波帶來一定得困難和誤差。由于所買穩(wěn)壓管電阻為6.2V 而不是2V，所以方波幅值滿足不了，我在