模電課程設(shè)計波形發(fā)生器

1、課 程 設(shè) 計 課程名稱 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計 題目名稱 波形發(fā)生電路_ 學(xué)生學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院 專業(yè)班級 電子科學(xué)與技術(shù)（5）班 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2013-12-10一、題目： 波形發(fā)生電路二、設(shè)計任務(wù)與技術(shù)指標(biāo)要求：設(shè)計并制作用分立元件和集成運(yùn)算放大器組成的能產(chǎn)生正弦波、方波和三角波的波形發(fā)生器。基本指標(biāo)： 1、輸出的各種波形基本不失真；2、頻率范圍為50HZ20KHZ，連續(xù)可調(diào)；3、方波和正弦波的電壓峰峰值VPP>10V，三角波的VPP>20V。三、電路設(shè)計及其原理 1） 方案的提出 方案一 用RC橋式振蕩器產(chǎn)生正弦波。 正弦波經(jīng)過一個過零比較器產(chǎn)生方波

2、。 方波通過積分運(yùn)算產(chǎn)生三角波。方案二 由滯回比較器和積分運(yùn)算構(gòu)成方波和三角波發(fā)生電路。（如圖1所示） 再由低通濾波把三角波轉(zhuǎn)成正弦波。方案三 由滯回比較器和積分運(yùn)算構(gòu)成方波和三角波發(fā)生電路。（同方案二） 利用折線法把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波。（如圖2所示） 圖1 圖3            U1 圖2 UzA2A1C1U1R2R1R4U0R3R5R02）方案的比較方案一中以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)、并引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋，從而產(chǎn)生正弦波。為了穩(wěn)定正弦波幅值，一般要在反饋電阻一邊串

3、聯(lián)一對反向的并聯(lián)二極管，但這樣會使正弦波出現(xiàn)交越失真。R1/R2=2時，起振很慢；R1/R2>2時，正弦波會頂部失真。調(diào)試?yán)щy。還有，RC橋式振蕩器對同軸電位器的精確度要求較高，否則，正弦波很容易失真。方案二的低通濾波產(chǎn)生正弦波適宜在三角波頻率固定或變化小時使用，而本次課程設(shè)計要求頻率50Hz-20KHz，顯然不適合。方案三 滯回比較器和積分比較器首尾相接形成正反饋閉環(huán)系統(tǒng)，這樣就形成方波發(fā)生器和三角波發(fā)生器。滯回比較器輸出的方波經(jīng)積分產(chǎn)生三角波，三角波又觸發(fā)比較器自動翻轉(zhuǎn)成方波。另外，根據(jù)正弦波與三角波的差別，將三角波分成若干段，按不同的比例衰減，就可以得到近似與正弦波的折線化波形。而

4、且折線法不受頻率范圍的限制，便于集成化。雖然反饋網(wǎng)絡(luò)中電阻的匹配困難，但可以通過理論計算出每個電阻阻值后再調(diào)試。這樣可以省下很多功夫。綜合以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇方案三來完成本次課程設(shè)計。 3）單元電路設(shè)計 方波-三角波產(chǎn)生電路UzA2A1此電路同相輸入滯回比較器和RC積分運(yùn)算電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。滯回比較器的輸出電壓，它的輸入電壓是積分電路的輸出電壓，根據(jù)疊加原理，運(yùn)放A1同相輸入端電位：， 令，則閾值電壓： 積分電路的輸入電壓是滯回比較器的輸出電壓，而且不是+，就是-，所以輸出電壓表達(dá)式為 ， 式中為初態(tài)的輸出電壓。

5、設(shè)初態(tài)時正好從躍變?yōu)?，積分電路反向積分，隨時間的增長線性下降，一旦，再稍減小，將從+躍變?yōu)?。這時，積分電路正向積分，隨時間的增長線性增大，一旦，再稍增大，將從躍變?yōu)?，回到初態(tài)，積分電路又開始反向積分。電路周而復(fù)始，因此產(chǎn)生自激振蕩。正向積分的起始值為，終了值為，積分時間為二分之一周期，所以有： 式中，經(jīng)整理可得出振蕩周期 振蕩頻率 確定和的阻值，可確定三角波的幅值。調(diào)節(jié)的阻值，可以改變電路的振蕩頻率。三角波經(jīng)折線法產(chǎn)生正弦波 折線法是用多段直線逼近正弦波的一種方法。其基本思路是將三角波分成若干段，分別按不同比例衰減，所獲得的波形就近似為正弦波。上圖畫出了波形的1/4周期，用四段折線逼近正弦波

6、的情況。根據(jù)上述思路，可以采用增益自動調(diào)節(jié)的運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。利用二極管開關(guān)和電阻構(gòu)成反饋通路，隨著輸入電壓的數(shù)值不同而改變電路的增益。增益的大小可以通過調(diào)試電阻的阻值來確定，這樣就可以產(chǎn)生基本不失真的正弦波。折線法是用多段直線逼近正弦波的一種方法。其基本思路是將三角波分成若干段，分別按不同比例衰減，所獲得的波形就近似為正弦波。上圖畫出了波形的1/4周期，用四段折線逼近正弦波的情況。根據(jù)上述思路，可以采用增益自動調(diào)節(jié)的運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。利用二極管開關(guān)和電阻構(gòu)成反饋通路，隨著輸入電壓的數(shù)值不同而改變電路的增益。增益的大小可以通過調(diào)試電阻的阻值來確定，這樣就可以產(chǎn)生基本不失真的正弦波。4）元件選擇：選擇集

7、成運(yùn)算放大器由于方波前后沿與用作開關(guān)的器件的轉(zhuǎn)換速率SR有關(guān)，因此當(dāng)輸出方波的重復(fù)頻率較高時，集成運(yùn)算放大器應(yīng)選用高速運(yùn)算放大器，即轉(zhuǎn)換速率SR高的運(yùn)算放大器。經(jīng)過芯片資料的查詢，TL084四運(yùn)算放大轉(zhuǎn)換速率SR=13V/us。符合方波產(chǎn)生電路。電阻為1/4W的金屬薄膜電阻。 電容為普通瓷片電容。選擇穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管Dz的作用是限制和確定方波的幅度，因此要根據(jù)設(shè)計所要求的方波幅度來選穩(wěn)壓管電壓Dz。為了得到對稱的方波輸出，通常應(yīng)選用高精度的穩(wěn)壓管。四、電路調(diào)試過程與結(jié)果：方波-三角波發(fā)生器中R3的阻值不要取0.5*R2，如果取0.5*R2，三角波很容易嚴(yán)重失真，因?yàn)門L084四運(yùn)放的最大輸

8、出電壓比電源電壓小2V-3V,當(dāng)把三角波放大為方波兩倍時，三角波頂部和底部失真。所以先把R2取大，再通過反向比例運(yùn)算把三角波放大。積分運(yùn)算電路的電容取值不易過大或過小，0.1uF為好。折線法中的反饋電阻調(diào)試比較困難。經(jīng)理論計算，,；經(jīng)過調(diào)試最終確定通過,。這樣得出的正弦波基本不失真。電位器R8（可調(diào)阻值范圍0-500K）使得三種波形頻率連續(xù)可調(diào)。通過實(shí)際電路測試，波形在50-20KHz頻率范圍內(nèi)基本不失真。當(dāng)14V雙電源供電時，經(jīng)測試得：163.93Hz時：波形理論值/V實(shí)測值/V方波13.8014.21三角波20.2921.10正弦波13.3314.2020KHz時：波形理論值/V實(shí)測值/V

9、方波13.8012.51三角波20.2923.08正弦波13.3314.82該電路的Multisim仿真結(jié)果：這個仿真效果很好，但與實(shí)際有較大的偏差，實(shí)際上，當(dāng)頻率較低時方波會有點(diǎn)偏斜，三角波的峰峰值也沒有這么高。誤差分析：163.93Hz時：方波的絕對誤差：14.21-13.80=0.41；相對誤差：0.41/13.80*100%=3.0%三角波的絕對誤差：21.10-20.29=0.81；相對誤差：0.81/20.29*100%=4.0%正弦波的絕對誤差：14.20-13.33=0.87；相對誤差：0.87/13.33*100%=6.5%五、總結(jié)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計作品輸出波形基本不失真 波形頻率達(dá)

10、到50Hz-20000Hz。并且在50Hz-20000Hz的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 方波和正弦波峰峰值大于10V，三角波形峰峰值皆大于20V。符合了設(shè)計要求的全部指標(biāo)。 焊接板排版縝密，焊接沒有跳線。缺點(diǎn)：方波在頻率為20000Hz時峰峰值轉(zhuǎn)換時差為2-4us。導(dǎo)致方波出現(xiàn)了失真，三角波頂部不尖。 正弦波由折線法把三角波折線而來。導(dǎo)致了其還存在一定的差別。 雙電源的直流穩(wěn)定效果不是很好，且電源的值很難保持一致，這會導(dǎo)致波形的線性度較差。 針對3個缺點(diǎn)各自的改進(jìn)方案：缺點(diǎn)1：把方波產(chǎn)生電路的運(yùn)算放大換成超高轉(zhuǎn)速的集成運(yùn)算放大器。例如：LM318H 缺點(diǎn)2：本設(shè)計是由三段折線法把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波的。為使產(chǎn)生的折線化波形更加接近正弦波，可以用5段折線法或者6段折線法。 缺點(diǎn)三：更換穩(wěn)定性更高的高級恒流電源。六、心得體會：“失敗乃成功之母”從一開始時的調(diào)試到最后完成課程設(shè)計。我用面包板連接電路，重重復(fù)復(fù)拔插了很多次。最后波形給我調(diào)試出來了。在這過程中我明白了成功是建立在以前失敗經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上的，成功是由百分之九十九的汗水和百分之一的靈感構(gòu)成的。在失敗面前不能低頭，要迎難而上。在這次設(shè)計過程中，我了解了很多運(yùn)放的型