方波-三角波產(chǎn)生電路

...wd......wd......wd...蘇州科技大學天平學院電子與信息工程學院模擬電子技術課程設計報告課設名稱設計方波--三角波產(chǎn)生電路學生姓名圣鑫學號1430119232專業(yè)班級通信1422指導教師孫云飛年月日—年月日設計課題設計方波--三角波產(chǎn)生電路課程設計的目的及技術指標與要求1、設計目的〔1〕掌握電子系統(tǒng)的一般設計方法；〔2〕掌握模擬IC器件的應用；〔3〕會運用EDA工具對所作出的理論設計進展模擬仿真測試，進一步完善理論設計；〔4〕通過查閱手冊和文獻資料，熟悉常用電子器件的類型和特性，并掌握合理選用元器件的原則；〔5〕掌握模擬電路的安裝\測量與調(diào)試的根本技能,熟悉電子儀器的正確使用方法，能分析實驗中出現(xiàn)的正?；虿徽，F(xiàn)象(或數(shù)據(jù))獨立解決調(diào)試中所發(fā)生的問題；〔6〕學會撰寫課程設計報告；〔7〕培養(yǎng)實事求是，嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和嚴肅的工作作風；〔8〕培養(yǎng)綜合應用所學知識來指導實踐的能力。2、技術指標與要求〔1〕輸出波形：方波－三角波－正弦波；〔2〕頻率范圍：100HZ~200HZ連續(xù)可調(diào)；〔3〕輸出電壓：正弦波-方波的輸出信號幅值為6V，三角波輸出信號幅值為0~2V連續(xù)可調(diào)；正弦波失真度：γ≤5%。系統(tǒng)知識介紹函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波〔含方波〕、正弦波的電路。函數(shù)發(fā)生器有很寬的頻率范圍，使用范圍很廣，它是一種不可缺少的通用信號源。函數(shù)發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領域內(nèi)應用最為廣泛的通用儀器之一，在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整機設備時，都學要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領域中最根本、應用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用于通信、雷達、導航、宇航等領域。函數(shù)發(fā)生器的設計有兩種方案有四種：方案一、由RC橋式電路產(chǎn)生正弦波，再由正弦波經(jīng)比擬器電路產(chǎn)生方波，再由方波經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波。方案二、采用DDS作為信號發(fā)生核心期間的全數(shù)控函數(shù)信號發(fā)生器根據(jù)輸出信號波形類型可設置、輸出信號幅度和頻率可控制、輸出頻率的要求，選用AD9850芯片，并通過單片機程序和處理AD8950的32為頻率控制字，在經(jīng)放大后加以數(shù)字電位器為核心的數(shù)字衰減網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)信號幅度、頻率、類型的控制。圖15G8038集成函數(shù)信號發(fā)生器圖15G8038集成函數(shù)信號發(fā)生器方案三、用5G8038集成函數(shù)信號發(fā)生器所需信號。接入外部電路后5G8038的9、3、2引腳就分別產(chǎn)生方波、三角波、正弦波。頻率調(diào)節(jié)局部通過其他引腳接外電路來實現(xiàn)，然后從5G8038出來經(jīng)過選擇開關選擇所需的波形進入LM31D8進展放大和幅度調(diào)節(jié)最后從LM31D8出來的波即為頻率和幅度可調(diào)的方波，三角波和正弦波。5G8038如圖1所示。方案四、由比擬器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比擬器輸出的方波經(jīng)積分電路得到三角波，三角波到正弦波由差分式放大電路完成。差分放大電路具有工作穩(wěn)定、輸入阻抗高、抗干擾能力強等優(yōu)點。特別是作為直流放大器時可以有效地抑制零點漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正波。設計框圖如圖2所示。圖2由比擬器與積分器組成的函數(shù)發(fā)生器圖2由比擬器與積分器組成的函數(shù)發(fā)生器設計所用軟件Multisim13.0軟件介紹Multisim是美國國家儀器〔NI〕推出的以Windows為根基的仿真工具，適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設計工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。工程師們可以使用Multisim交互式地搭建電路原理圖，并對電路進展仿真。Multisim提煉了SPICE仿真的復雜內(nèi)容，這樣工程師無需懂得深入的SPICE技術就可以很快地進展捕獲、仿真和分析新的設計，這也使其更適合電子學教育。通過Multisim和虛擬儀器技術，PCB設計工程師和電子學教育工作者可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設計和測試這樣一個完整的綜合設計流程。電路方案與系統(tǒng)、參數(shù)設計設計思路總體設計思路為：先通過比擬器產(chǎn)生方波，方波通過積分器產(chǎn)生三角波。1.1比擬器原理比擬器是由運算放大器開展而來的，比擬器電路可以看作是運算放大器的一種應用電路。由于比擬器電路應用較為廣泛，所以開發(fā)出了專門的比擬器集成電路。圖3比擬器圖3比擬器圖3〔a〕由運算放大器組成的差分放大器電路，輸入電壓VA經(jīng)分壓器R2、R3分壓后接在同相端，VB通過輸入電阻R1接在反相端，RF為反響電阻，假設不考慮輸入失調(diào)電壓，則其輸出電壓Vout與VA、VB及4個電阻的關系式為：假設R1=R2，R3=RF，則,為放大器的增益。當R1=R2=0(相當于R1、R2短路)，R3=RF=∞(相當于R3、RF開路)時，Vout=∞。增益成為無窮大，其電路圖就形成圖3(b)的樣子，差分放大器處于開環(huán)狀態(tài)，它就是比擬器電路。實際上，運放處于開環(huán)狀態(tài)時，其增益并非無窮大，而Vout輸出是飽和電壓，它小于正負電源電壓，也不可能是無窮大。從圖3〔a〕和3〔b〕中可以看出，比擬器電路就是一個運算放大器電路處于開環(huán)狀態(tài)的差分放大器電路。同相放大器電路如圖3〔c〕所示。如果圖3〔c〕中RF=∞，R1=0時，它就變成與圖3〔b〕一樣的比擬器電路了。1.2積分電路原理積分是一種常見的數(shù)學運算，積分電路如圖4所示。利用理想運放的特性有,，因此有，電容C以電流進展充電。假設電容C初始電壓，則圖4積分電路圖4積分電路圖4積分電路圖4積分電路上式說明，輸出電壓為輸出電壓對時間的積分，負號表示它們在相位上是相反的。又稱反相積分器。圖中。當輸入信號為如圖5〔a〕所示的階躍電壓時，在它的作用下，電容器將以近似恒流方式進展充電，輸出電壓與時間t呈近似線性關系，如圖5〔b〕所示。因此式中為積分時間常數(shù)。當時，。當，增大，直到，即運放輸出電壓的最大值受供電直流電源電壓的限制，致使運放進入飽和狀態(tài)，保持不變，而停頓積分。圖5積分電路的階躍響應圖5積分電路的階躍響應〔a〕輸入電壓信號波形〔b〕輸出電壓波形工作原理2.1方波產(chǎn)生電路原理方波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生方波或矩形波的非正弦信號發(fā)生電路。由于方波或矩形波包含極豐富的諧波，因此，這種電路又稱為多諧振蕩電路。圖6雙向限幅的方波產(chǎn)生電路圖6雙向限幅的方波產(chǎn)生電路矩形波產(chǎn)生電路如圖6所示，它是在遲滯比擬器的根基上，把輸出電壓經(jīng)、C反響集成運放的反相端。在運放的輸出端引入限流電阻R和兩個穩(wěn)壓管而組成的雙向限幅電路。在接通電源的瞬間，電路的輸出電壓究偏于正向飽和還是負向飽和，純屬偶然。設輸出電壓偏于負飽和值，即時，則集成運放同相端的電壓為而時電容反向充電，由零變負。在高于之前，不變。當下降到略低于時，從–VZ跳變到+VZ。與此同時，由變?yōu)槎请娙莩潆?，在低于以前，不變。當上升到略高于時，從+VZ跳到–VZ。如此循環(huán)不已，產(chǎn)生振蕩，輸出矩形波。圖7畫出了在~時的一個方波的典型周期內(nèi)輸出端及電容C上的電壓波形。圖7輸出電壓與電容器電壓波形圖圖7輸出電壓與電容器電壓波形圖因本次實驗有明確要求：三角波輸出信號幅值為0~2V連續(xù)可調(diào)，所以方波局部的電路圖修改如圖8。圖8方波產(chǎn)生電路圖圖8方波產(chǎn)生電路圖2.2方波——三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理產(chǎn)生三角波利用的是積分電路的原理圖9圖9方波——三角波轉(zhuǎn)換電路由于反相輸入，，故上式說明與的積分成比例，式中的負號表示兩者相反，稱為積分時間常數(shù)。當為階躍電壓時，。當積分電路的輸入為方波時，電路將輸出三角波。電路元件及參數(shù)設計3.1芯片uA741工作原理及原理圖741型運算放大器具有廣泛的模擬應用。寬范圍的共模電壓和無阻塞功能可用于電壓跟隨器。高增益和寬范圍的工作電壓特點在積分器、加法器和一般反響應用中能使電路具有優(yōu)良性能。此外，它還具有如下特點：〔1〕無頻率補償要求；〔2〕短路保護；〔3〕失調(diào)電壓調(diào)零；〔4〕大的共模、差模電壓范圍；〔5〕低功耗。741型運放雙列直插封裝的俯視圖如圖10〔a〕所示。緊靠缺口〔有時也用小圓點標記〕下方的管腳編號為1，按逆時針方向，管腳編號依次為2，3，…，8。其中，管腳2為運放反相輸入端，管腳3為同相輸入端，管腳6為輸出端，管腳7為正電源端，管腳4為負電源端，管腳8為空端，管腳1和5為調(diào)零端。通常，在兩個調(diào)零端接一幾十千歐的電位器，其滑動端接負電源，如圖10〔b〕所示。調(diào)整電位器，可使失調(diào)電壓為零?！瞐〕〔b〕圖圖10uA741型運算放大器的封裝圖3.202DZ4.7二極管由兩個02DZ4.7二極管組成了一個穩(wěn)壓二極管。穩(wěn)壓二極管的作用是限制和確定方波的幅度，因此要根據(jù)設計所要求的方波幅度來選擇穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。此外，方波幅度和寬度的對稱性也與穩(wěn)壓管的對稱性有關，為了得到對稱的方波輸出，通常應選用高精度的雙向穩(wěn)壓管。R2為穩(wěn)壓管的限流電阻，其值由所選用的穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電流決定。3.3頻率與電容C由于設計任務書中要求頻率范圍為100HZ~200HZ連續(xù)可調(diào)，而可見f與C成反比，假設要得到100HZ~200HZ，C要為0.1?？傠娐穲D與器材清單表圖11方波--三角波產(chǎn)生的總電路圖圖11方波--三角波產(chǎn)生的總電路圖元器件名稱個數(shù)型號主要參數(shù)運算放大器2741示波器1可調(diào)電阻150k電阻5R20k,5k,10k電容1C0.1μF直流穩(wěn)壓電源4±12V二極管202DZ4.75.實驗仿真結果圖12示波器圖12示波器討論設計中發(fā)生的問題第一次獨立完成課程設計，沒有經(jīng)歷。方波和三角波和接觸較少，特別是三角波，面對題目，不知道該怎么開場。設計電路圖時，關于比擬器和積分電路的知識缺乏，無法讓兩個電路融合在一起，成功得到波形。沒有注意到設計任務書中有關于參數(shù)的要求，導致得到的波形不符合要求。電腦中沒有Multisim13.0，破解中遇到了一些困難。沒有學習和使用過Multisim13.0，畫電路圖中，一些元件找不到；連線時，沒有仔細注意節(jié)點，導致電路圖一直不成功，得不到需要的波形。七、設計心得體會本次課程設計是我到目前為止覺得最有意義也是收獲最大的一次實習，。身為電氣工程系的學生，設計是我們將來必須的技能。而這次課程設計恰恰給我們提供了一個應用自己所學知識的平臺。通過本課題的設計，我感慨頗多，從拿到課題到定稿，從理論到實踐，在課程設計的過程中,可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以穩(wěn)固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。因為這次課程設計需要動腦動手，把自己課堂上學到的軟件和硬件知識全部應用進來。要想完成好這次課程設計，必須熟悉模擬電子技術理論知識，與外部電路的連接。這其中有以前課堂上學過的也有需要我們自學研究的，這不僅考察了自己原來的知識程度還加強了我們獨立獲取知識并加以運用的能力。通過這次實驗，我對函數(shù)發(fā)生器的了解擴寬了，對模擬電子技術和外圍電路的認識也更為清晰了，這為我以后工作提供了堅實的根基。