正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、課程設(shè)計名稱：電子課程設(shè)計課程設(shè)計題目：設(shè)計制作一個產(chǎn)生正弦波 -方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器學(xué)院名稱：信息工程學(xué)院專業(yè)：_班級：學(xué)號：姓名：評分： 教師：20 13 20 14學(xué)年第1學(xué)期 第1周3周題目設(shè)計制作一個產(chǎn)生正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)容及要求：設(shè)計制作一個產(chǎn)生正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器，要求實現(xiàn)：(1)輸出波形頻率范圍為0.2KHz20kHz且連續(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,占空比可調(diào)；進度安排：1 .根據(jù)任務(wù)要求，查閱相關(guān)資料，完成設(shè)計前的前期工作：2天2 .根據(jù)資料，進行方案設(shè)計并對比論證，完成參數(shù)計算：2

2、.5天3 .領(lǐng)取元器件，連接電路，完成電路調(diào)試：34 .提交報告：12周注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設(shè)計結(jié)束后與“課程設(shè)計小結(jié)”、“學(xué)生成績單” 一并交院教務(wù)存檔。摘要在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號波形發(fā)生器。 用三角波，方波發(fā)生電路實現(xiàn)的信 號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比， 其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指 標(biāo)，都有了很大的提高。因此，本設(shè)計意在用LM324放大器設(shè)計一個產(chǎn)生正弦波-方波-三角波的函數(shù)轉(zhuǎn)換器。為了使這三種波形實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，正弦波可以通過RC8蕩

3、電路產(chǎn)生。正弦波通過滯回比較器可以轉(zhuǎn)換成方波，方波通過一個積分電路可以轉(zhuǎn)換成三角波，三角波的占空比只要求可調(diào)即可。從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計關(guān)鍵字：放大器、波形轉(zhuǎn)換、同相滯回比較、電路積分電路、濾波電路目錄前言 1第一章設(shè)計要求 21.1設(shè)計內(nèi)容及要求 2第二章系統(tǒng)組成及原理 32.1 方案一 32.2 方案二 3第三章單元電路設(shè)計與計算 53.1 單元電路設(shè)計 53.1.1 正弦波發(fā)生器實驗原理 53.1.2 正弦波一方波轉(zhuǎn)換器實驗原理63.1.3 方波一三角波轉(zhuǎn)換器實驗原理83.1.4 直流電源電路原理 93.2 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路 113.2.1 直流電源的參數(shù)設(shè)計 113.2.2 RC正弦

4、波振蕩電路的參數(shù)設(shè)計 113.2.3 方波電路的參數(shù)設(shè)計 113.2.4 三角波電路的參數(shù)設(shè)計 11第四章安裝與調(diào)試 12第五章性能測試及分析 13第六章結(jié)論與心得 146.1 實驗結(jié)論 146.2 心得體會 14參考文獻 15附錄 161 總原理圖 162 芯片管腳圖 173 原件清單 17現(xiàn)今世界中電子技術(shù)與電子產(chǎn)品的應(yīng)用越加廣泛， 人們對電子技術(shù)的要求也 越來越高。因此如何根據(jù)實際要求設(shè)計出簡便實用的電子技術(shù)物品便顯得尤為重 要。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。能將簡單的易獲取的信號轉(zhuǎn)換為自己所需的復(fù)雜信號是一項必不可少的技術(shù)。 我 們有必要做好這相關(guān)

5、方面的研究，為被測電路提供所需要的信號及各種波形， 以 便完成各種相關(guān)試驗。信號源在各種試驗應(yīng)用和實驗測試處理中，仿真各種測試 信號，提供給被測電路，用來滿足實驗的各種要求。本文所設(shè)計的波形發(fā)生器就是信號源的一種，采用集成運算放大器、電阻和電容組成簡單的電路，實現(xiàn)波形的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換。第一章、設(shè)計要求1.1設(shè)計內(nèi)容及要求1 .輸出波形頻率范圍為0.2KHz20kHz且連續(xù)可調(diào);2 .正弦波幅值為土 2V,;3 .方波幅值為2V;4 .三角波峰-峰值為2V,占空比可調(diào)；第二章、系統(tǒng)的組成及工作原理設(shè)計要求為實現(xiàn)正弦波-方波-三角波之間的轉(zhuǎn)換。正弦波可以通過 RC振蕩 電路產(chǎn)生。正弦波通過滯回比較器可

6、以轉(zhuǎn)換成方波， 方波通過一個積分電路可以 轉(zhuǎn)換成三角波，三角波的占空比只要求可調(diào)即可。各個芯片的電源可用±12V直流電源提供，并備用了兩套方案設(shè)計。2.1方案一方案一電路方框圖如圖2.1所示LC正弦波振蕩電路=> 滯回比較器積分電路圖2.1方案一方框圖LC正弦波振蕩電路與RC橋式正弦波振蕩電路的組成原則在本質(zhì)上是相似 的，只是選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC電路。在LC振蕩電路中，當(dāng)f=f0時，放大電路的放 大倍數(shù)數(shù)值最大，而其余頻率的信號均被衰減到零；引入正反饋后，使反饋電壓 作為放大電路的輸入電壓，以維持輸出電壓，從而形成正弦波振蕩。2.2方案二方案二電路方框圖如圖2.2所示RC正弦波發(fā)生

7、電路=> 滯回比較器=>積分電路圖2.2方案二方框圖方案二仿真電路如圖2.3所示C3儂葉圖2.3萬案二仿真電路圖方案論證：LC正弦波振蕩電路特別是方案一所采取的電感反饋式振蕩電路中N1與N2之間耦合緊密，振幅大；當(dāng)C采用可變電容時，可以獲得調(diào)節(jié)范圍 較寬的振蕩頻率，最高頻率可達幾十兆赫茲。由于反饋電壓取自電感，對高頻信 號具有較大的電抗，輸出電壓波形中常含有高次諧波。 因此，電感反饋式振蕩電 路常用在對波形要求不高的設(shè)備之中，如高頻加熱器、接受機的本機振蕩電路等。 另外由于LC正弦波振蕩電路的振蕩頻率較高，所以放大電路多采用分立元件電 路，必要時還應(yīng)采用共基電路。因此對于器材的選擇

8、及焊接的要求提高，并且器 材總價格也增加了。相反，RC正弦波振蕩電路的振蕩頻率較低，一般在 1MHz以下，它是以RC 用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)， 具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強，輸出電壓失真小等優(yōu)點，因此獲得相當(dāng)廣泛 的應(yīng)用。另外對于器材的要求也不高，只需集成塊、電容、電位器等組成即可。 在焊接方面，直接、美觀、大方！在器材總價格方面，相比第一種方案更為實惠。綜合對比兩種方案，選擇第二種方案第三章 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算3.1 單元電路設(shè)計3.1.1 正弦波發(fā)生器實驗原理(1) RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。R2F 二 Uf 二，2 二 1j RC2-U.-T

9、-R,._1(1C2 3) j(- R1C2 -)R2 C12&R1=R2=R, C1=C2=C,，令80 RC 103 j() '0'則:最大，F(xiàn) = 0j Cl 1 j R2c 2正弦波發(fā)生器仿真電路圖3.1所示圖3.1正弦波發(fā)生器仿真電路圖3.1.2 正弦波一方波轉(zhuǎn)換器實驗原理正弦波一方波轉(zhuǎn)換器方框圖如圖3.2所示正弦波發(fā)生電路=> 滯回比較器 => 方波圖3.2正弦波一方波轉(zhuǎn)換器方框圖(1)電路組成：1)滯回比較器：集成運方、R11、R8.圖3.3為一種電壓比較器電路，雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，R起限流作用， R2和R構(gòu)成正反饋，運算放大器當(dāng)up&g

10、t;un時工作在正飽和區(qū)，而當(dāng)un>up時工作在負(fù) 飽和區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入電壓u小于某一負(fù)值電壓時，輸出電壓uo= -UZ; 當(dāng)輸入電壓Ui大于某一電壓時，Uo= +LZo又由于“虛斷”、“虛短" Up=Un=0,由此可 確定出翻轉(zhuǎn)時的輸入電壓。Up用Ui和Uo表示，有11Ui UoR1R2R25R1U。一upUn=011R1R2R1R2得此時的輸入電壓UiRiR2Ri.一uo = m,U Z = mU thR2Uh稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖3.4所示。設(shè)輸入電壓初始 值小于-Uh,止匕時Uo= -UZ；增大u,當(dāng)u=Uh時，運放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進入正

11、飽和 區(qū)。如果初始時刻運放工作在正飽和區(qū)，減小 u ,當(dāng)u= - Uh時，運放則開始進入 負(fù)飽和區(qū)。uinunRiUPR3 uoIeoR2-Uzuin圖3.3電壓比較器電路圖3.4滯回電壓比較器的直流傳遞特性(2)正弦波一方波轉(zhuǎn)換仿真電路圖正弦波一方波轉(zhuǎn)換仿真電路如圖3.5所示圖3.5正弦波一方波轉(zhuǎn)換仿真電路圖3.1.3方波一三角波轉(zhuǎn)換器實驗原理方波一三角波轉(zhuǎn)換器方框圖如圖 3.6所示。方波發(fā)生電路> 積分電路> 三角波圖3.6方波一三角波轉(zhuǎn)換器方框圖(1)積分運算電路如圖3.7所示。圖3.7積分運算電路由于“虛地”，Uo+Uc=0, 故：Uo=-Uc由于“虛斷"，i i

12、=i c,故：Ui=i iR=icR1 . .1UoUc = - icdt = Uidt得：C ' RC ' T = RC (積分時間常數(shù))由上式可知，利用積分電路可以實現(xiàn)方波一一三角波的波形變換。(2)正、反向積分時間常數(shù)可調(diào)電路正、反向積分時間常數(shù)可調(diào)電路如圖3.8所示圖3.8正、反向積分時間常數(shù)可調(diào)電路3.1.4直流電源電路原理直流電源電路方框圖如圖3.9所示。電源變壓器整流電路 =：>濾波電路=> 穩(wěn)壓電路圖3.9直流電源電路方框圖(1)整流電路：將交流變直流的過程。設(shè)變壓器副邊電壓 U2= J5u2sinwt, U2為其有效值。則：輸出電壓的平均值,1 .

13、U O(AV) = 2U 2 sin wtd(wt) ： 0.9U 2二 0輸出電流的平均值Io(av)=0.9U2/Rl脈動系數(shù)S=Uoi = 2/3=0.67 U O(AV)二極管的選擇最大鎮(zhèn)流電流IF>1.1二U2- RL最高反向工作電壓 URM>1.1 .2U2(2)濾波電路：將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷喊凑杖切蜗嗨脐P(guān)系可得:UO(AV) = 2 U2(1-T/4RlC)當(dāng) RlC=(35)T/2 時，Uo(av)=1.2U2脈動系數(shù)為S=T4RlC -T(3)穩(wěn)壓電路：把電壓幅值穩(wěn)定的電路。在穩(wěn)壓二極管所組成的穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過 限流電

14、阻R上電壓或電流的變化進行補償，來達到穩(wěn)壓的目的。限流電阻R是必 不可少的元件，它既限制穩(wěn)壓管中的電流使其正常工作，又與穩(wěn)壓管相配合以達到穩(wěn)壓的目的。一般情況下，在電路中如果有穩(wěn)壓管存在，就必然有與之匹配的 限流電阻。1)穩(wěn)壓電路輸入電壓U的選擇：根據(jù)經(jīng)驗，一般選取U=(23)UoU確定后，就可以根據(jù)此值選擇整流濾波電路的元件參數(shù)。2)穩(wěn)壓管的選擇：UZ=UO;Zmin>I Lmax"穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流IzM>=lLmax+I3)限流電阻R的選擇:通過查手冊可知：I ZMIN<=I DZ<=I ZMAX計算可知：Rmax = (Umin-UZ)/(I Z+I

15、Lmax)iin=(UImax-Uz)/(I ZM+I Lmin本實驗采用集成穩(wěn)壓器電路，具包括調(diào)整管、保護電路、比較放大電路、基 準(zhǔn)電壓電路、采樣電路、電流源電路。4)直流電源電路仿真電路圖如圖 3.10所示。.：U1.:mLM751KT曲i4 - 開圖3.10直流電源電路仿真電路圖3.2參數(shù)計算3.2.1 直流電源的參數(shù)設(shè)計提供的是220V的交流電源要變?yōu)檎?fù)12V直流電， 變壓器用220V15V規(guī)格的，由于整流電路中用的二極管最大鎮(zhèn)流電流>1.1彳詈，最高反向工作電壓4>=1.1 V2U2,因此選用二極管型號為1N4007即可。濾波電路中RC=(35)T/2 時濾波效果好，因

16、此大電容可選用耐壓值為35V, 3300uf的電容兩個。穩(wěn)壓管穩(wěn) 壓電路中選的三端穩(wěn)壓器為：LM7812 LM7912這樣可以穩(wěn)定輸出電壓為正負(fù)12V。另外加上一些濾波電容，即：C3=C4=220uf,C5=C6=220nf,C7=C8=100nf.為了顯示輸出電壓“與否”，兩邊可分別用二極管串聯(lián)一個1K的電阻來顯示。3.2.2 RC正弦波振蕩電路的參數(shù)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求輸出波形頻率范圍為 0.2KHz20kHz且連續(xù)可調(diào)，正弦波幅值 為±2V, f0=1/(2fIRC),由于器材的原因，取 C=220nf,則R=1/2fIf0C,解之可得， R的取值范圍0.0369K3.69K,因止

17、匕RC選頻網(wǎng)絡(luò)用兩個5K電位器和兩個220nf 的電容組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。對于電壓幅值 2V,可以通過R310K的電位器和R110K 的電阻調(diào)節(jié)而得到。3.2.3 .方波電路的參數(shù)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求方波幅值為2V,因此穩(wěn)壓二極管可選用兩個穩(wěn)壓為 3.3V的。3.3.4三角波電路的參數(shù)設(shè)計由于是方波一三角波轉(zhuǎn)換電路，因此在第二個集成塊的輸出端加上個限流阻 R5=2K,根據(jù)設(shè)計要求鋸齒波的峰一峰值為 2V,且占空比可調(diào)。Uo=-Uz(t1-t0)+U o(t0) 當(dāng) Uo=1Uz(t2-t1)+U o(tl)R8c(R8 + R9)CT=2R52R8+R9)CR9、R5為10K的電位器 R8為50K電位

18、器。解之可得:R6R6=282/T=282f=0.0968K9.68K,因止匕取 R6=10K,積分電路中 C=220nf,改變占 空比的二極管可選用2個1N4007，補償電阻R12可選取10K,以保證集成運放輸 入級差分放大電路的對稱性。第四章安裝與調(diào)試1 .直流穩(wěn)壓電源(1)按所設(shè)計得電路圖在電路板上做好布局，準(zhǔn)備焊接電路板。(2)用萬用表測得輸出為+12.0V和-12.06V,與理論值有一定的誤差；并且 測出7812、7912輸入與輸出的壓差，并記錄。2 .正弦波、方波、三角波(1)按所設(shè)計得電路圖在電路板上做好布局，準(zhǔn)備焊接電路板.(2)經(jīng)“起振”調(diào)試后用示波器可測得各輸出端的波形，并

19、記錄。(3)用示波器讀出格數(shù)，計算峰一峰值；(4)調(diào)節(jié)各個電位器，用函數(shù)發(fā)生器的輸入端測出各個波形的頻率范圍，并記錄。第五章性能測試與分析1 .直流電源部分用萬用表測得輸出為+12.0V和-12.06V ,與理論值有一定的誤差；并且測出7812、7912輸入與輸出的壓差。(1)數(shù)據(jù)處理：輸出：LM7812俞出 12.0V;LM7912俞出-12.06V。穩(wěn)壓塊電勢差：LM7812J 8.9V, LM7912J 8.6V。(2)誤差計算：LM7812 (12-12) /12 父 100 %=0%LM7912 : |12-12.06|/12 父 100 %=0.001%2 .波形轉(zhuǎn)換部分經(jīng)“起振”

20、調(diào)試后用示波器可測得各輸出端的波形，并記錄。用示波器讀出 格數(shù)，計算峰一峰值；然后用數(shù)字毫伏表讀出其有效值，并記錄。調(diào)節(jié)各個電位 器，用函數(shù)發(fā)生器的輸入端測出各個波形的頻率范圍，并記錄。(1)正弦波(幅值可調(diào)、頻率可調(diào))峰-峰值：Up-p=2 父 3.4=6.8V有效值為：U=6.8/2 <2 =2.4V頻率調(diào)節(jié)范圍為：225.7HZ14.7KHZ(2)方波峰-峰值：Up-p=2M2V=4V 頻率調(diào)節(jié)范圍為：225.7HZ14.7KHZ相對誤差：|2-2|/2 100%=0(3)三角波(占空比可調(diào))峰-峰值：Up-p=#2V=2V頻率調(diào)節(jié)范圍為：225.7HZ14.7KHZ相對誤差：|2

21、-2|/2 100%=03 .誤差分析：(1)直流電源輸出不是標(biāo)準(zhǔn)的正負(fù)12V。(2)集成塊不是理想的集成塊；(3)對電位器進行調(diào)節(jié)時，由于是手動控制，難以準(zhǔn)確的到達所需的阻值；(4)電路之間的連線不是理想的，有電阻，使實驗存在誤差；第六章結(jié)論與心得6.1 實驗結(jié)論：(1)實現(xiàn)本次實驗的方法不唯一，但相較而言，方案一所用的元器件最少， 提高了實驗電路的穩(wěn)定性，且實驗的調(diào)節(jié)方法也很簡單，做到了節(jié)約、簡便、 迅速的基本要求。(2)通過調(diào)節(jié)10k電位器，可以改變正弦波的幅值；(3)方波的幅值由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值決定。(4)調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管并聯(lián)的電位器可以調(diào)節(jié)方波的幅值；調(diào)節(jié) RC振蕩電路的調(diào) 頻電位器可以調(diào)節(jié)頻率大小。(5) RC橋式正弦波振蕩電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)， 以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)。(6)在調(diào)試過程中，采取逐級調(diào)試，逐級校準(zhǔn)的方法得到試驗結(jié)論。6.2 心得：由于是第一次做課程設(shè)計，對設(shè)計的具體操作過程還不是很了解， 總是覺得 很難做。還好老師在課堂上多次講解了，提出了一些要注意的問題，讓設(shè)計更好。首先是在網(wǎng)上查到了一些資料，然后小組一起討論了電路圖的設(shè)計以及參數(shù) 計算問題，解決這些問題后，開始做仿真電路圖，想通過仿真結(jié)果來初步驗證設(shè) 計電路，得到了正確的實驗結(jié)果，設(shè)計基本滿足設(shè)計要求。其次實驗提高了同學(xué) 們的分工合作精神，使同學(xué)們學(xué)