1、方波三角波发生器的设计与制作设计本科学位论文目 录前言 2一设计任务与要求 3二方案设计 3三. 单元电路设计与参数的计算 3四. 总原理图及元件清单 8五性能分析： 9六. 总结与心得体会 10参考文献 11方波三角波发生器的设计与制作前言 函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波（锯齿波）、方波（矩形波）、阶梯波等电压波形的电路或仪器。电路形式可以采用由运放及分立元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，本课题介绍方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法。 产生方波、三角波和正弦波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过比较器电路变换成方波，
2、再通过积分电路变换成三角波；依然可以首先产生方波、三角波，然后再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波。 波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次课程设计使用的发生器可产生三角波、方波等多种波形，波形的周期可以用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑等优点。一设计任务与要求 1设计一个函数发生器，要求输出波形为正弦波方波三角波； 2要求频率范围：方波10100Hz,正弦波1KHz10KHz,三角波100Hz1KHz； 3频率连续可调，线性失真小。二方案设计 在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都
3、学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。 该函数发生器要求能输出频率范围可调的正弦波，方波和三角波，能够很好的实现本次试验的目的，将一些线性和非线性的元件与集成运放组合，输出性能良好的波形。 要求分析： 由正弦波，方波或三角波的发生器产生相应的信号，通过相互转换实现多种波形的输出。正弦波可以由振荡电路产生，经比较运放产生矩形波，再积分可得到三角波。或是通过矩形波过带通滤波得到正弦波等实现波形间的转换。通过调节RC振荡电路中的振荡电阻
4、来实现频率可调。三. 单元电路设计与参数的计算1.电路设计与原理分析 利用集成运算放大器的优良特性，根据自激振荡原理，采用正负反馈相结合，将一些线性和非线性的元件与集成运放进行不同的组合，可以方便地构成性能良好的正弦波振荡器。正弦波振荡电路由放大电路(保证电路正常起振)，选频网络（使电路产生一定频率的振荡），正反馈网络（使放大电路的输入信号等于反馈信号），和稳幅环节（使输出信号稳定）四部分组成。 振荡器是一种具有正反馈网络的选频放大器。谐振是振荡器从输出端反馈回输入端的信号与原输入信号的相位相同。谐振频率由正反馈网络的有关参数决定。为了维持振荡，在谐振频率上环路增益必须等于，AF=1 式中F为
5、反馈系数，A为放大器的电压增益。 写成模与相角的形式即 |AF|=1 A+F=2n 开始振荡时，为了容易起振，环路增益AF应该略大于。 文氏电桥的RC串联电路的选频特性 一般取R1=R2=R,C1=C2=C时，串并联电路有对称的选频特性，当频率f=1/2RC时，可在R,C 并联的两端得到最大的电压值，把这个电压输入运算放大器的同向端作为正反馈信号，把电阻R3,R4的分压电压作为负反馈信号 输入运算放大器的反向段。调节电阻Rw，使负反馈的电压，接近于正反馈电压，但又稍小于正反馈电压，这时的电路满足振荡的幅值和相位的条件，而且输出波形失真最小。如果负反馈电压远小于正反馈，这时电路满足振荡条件，但因
6、正反馈过强，使输出波形实现严重失真。如果负反馈电压远大于正反馈电压，则电路不满足振荡条件，不能其振。 文氏桥振荡电路，放大器为同相比例运算放大器，正反馈选频网络为RC串联网络。正常工作时，放大器的闭环电压增益A等于，正反馈的反馈系数为1/3，环路增益AF=31/3=1。开始仿真时没有电流流通过二极管，二极管的正向电阻很大，是放大器的电压增益大于。随着输出电压的增加，流过二极管的电流将逐步增大，二极管的正向电阻将逐步减小，放大器的电压增益也随之降低，直至降低到为止。达到稳态后，文氏桥振荡器将输出幅度一定的正弦波。如果放大器的电压增益过高，运放就有可能进入饱和状态，这是输出的不再是正弦波，而是方波
7、。 文氏桥振荡器的基本放大电路为同相比例放大器，其电压增益为式中，Rf为反馈电阻。2.参数的计算：通过RC选频电路实现频率可调。 因为f=1/2RC,所以，当f=10Hz,C=0.1微法 时，R=16KO当f=100Hz,C=0.1微法 时，R=1.6KO当f=100Hz,C=0.01微法 时，R=16KO当f=1KHz,C=0.01微法 时，R=1.6KO当f=1KHz,C=0.00 1微法 时，R=16KO当f=10KHz,C=0.00 1微法 时，R=1.6KO （1）过零比较器 电压比较电路用于比较模拟输入电压与设定参考电压的大小关系，比较的结果决定输出是高电平还是低电平。过零比较器主
8、要用来将信号与零电位进行比较，以决定输出电压。当输入信号Ui0时输出Uo为负极值过零比较器在输入信号经过零点时改变电路的输出状态。V+、V端是处于一种比较状态，没有“虚短、虚断”。 当Vi 0;电路负饱和（VOL）； 当 Vi0;电路正饱和（VOH）；体现过零比较的关系。得到的方波与正弦波频率相同。限幅电路的稳压管跨接在集成运放的输出端和反相输入端之间，如上图所示。假设稳压管截止，则集成运放必然工作在开环状态，输出电压不是+UOM，就是-UOM。这样，必将导致稳压管击穿而工作在稳压状态，DZ构成负反馈通路，使反相输入端为“虚地”，限流电阻上的电流iR等于稳压管的电流iZ，输出电压Uo=+Uz或
9、Uo=-Uz。取输出电压偏于正饱和值，即取Uo=Uz时，加到电压比较同向端的电压为Uz-Udz。 希望减小比较器的输出电压幅值，可外加双向稳压管Dz。这时，输出电压的幅值受Dz的稳压值VZ限制，电路的正向输出幅度与负向输出幅度基本相等。 或 。电阻R起限流作用，保护稳压管。 （2）参数计算 因为参数要求方波输出电压的峰峰值为14V，Vpp=2Vz,所以稳压管的反向击穿Vz=7V3.积分电路 积分电路是一种运用较为广泛的模拟信号运算电路，它是组成各种模拟电子电路的重要基本单元，它不仅可以实现对微分方程的模拟，同时在控制和测量系统中，积分电路也有着广泛运用，利用其充放电过程可以实现延时，定时以及各
10、种波形的产生.积分电路还可用于延时和定时。在各种波形(矩形波、锯齿波等)发生电路中，积分电路也是重要的组成部分。采用什么方法能使vo与vi间成为积分关系呢？首先想到的是利用电容C。因为 其中 vc，ic分别为电容两端电压和流过的电流，C为电容容量。所以如果能设法使电路的vo vc,而使viic,则vo与vi间也将成为积分关系。以上的要求可以利用集成运放来实现.运放的反相端虚地,vN=0, vo=-vc 实现了第一个要求(vovc)；又ic=i1=vs/R 实现了第二个要求(vsic)于是 即 =RC 积分电路的时间常数 讨论：1)以上关系是假设C两端vco=0,若vco0,则2)将积分电路图8
11、.16与反相比例电路比较,可以看出基本积分电路也是在反相比例电路基础上演变而得.(将RF换成C即可)3)如果在积分电路的输入端加上一个阶跃信号则可得到即vo随时间而直线上升,但增长方向与vs极性相反。增长速度正比于vs(输入电压的幅值)和1/ 。利用积分电路的上述特性，若输入信号是方波,则输出将是三角波。可见积分电路能将方波转换成三角波。 当t增加时,|vo|是否增加并趋于无穷？显然不能。 它受到集成运放的最大输出电压vomax的限制，当vo等于正向或负向的最大值后，便达到饱和，不再继续增大。 积分电路具有延迟作用。将vo作为电子开关的输入电压,即输出端接一电子开关，当vo=6v时电子开关动作
12、。设vs在t=0,由0变为-3v，则vo随t线性上升。已知:R=10k,C=0.05F,vco=0，请算出vo=6v时所对应的时间T？分析：（1）虚断：ic=i1+i2 （2）由图8.18可得当0ta,Vo增大，直到-Vo=+Vom 即运放输出电压的最大值Vom受支流电源电压的限制，致使运放进入饱和状态，Vo保持不变，而停止积分。 对实际的积分电路，由于集成运放输入失调电压，输入偏置电流和失调电流的影响，常常会出现积分误差，积分电容器的漏电流也是产生积分误差的原因之一，因此可选用泄露电阻大的电容器。四. 总原理图及元件清单1总原理图 2元件清单 元件序号型号参数数量备注C1 0.1F/25V3
13、陶瓷电容C20.01F/10V2陶瓷电容C30.001F/10V2陶瓷电容A1LM7415V4普通运放A2AD62018V2普通运放Rp116KO3电位器Rp212KO1电位器Rf20KO1反馈电阻R11.6KO3普通电阻R23.6KO1普通电阻R310KO2普通电阻R4100KO1普通电阻DZ1N47377V/5W2稳压管CAD62018V1比较运放五性能分析： 过零比较器抗干扰性不好，过零即触发跳跃，因为外界的环境等影响造成导致零触发输出信号不稳定，比较器经过调节可以提供极小的时间延迟，但其频响特性受到一定限制，运算放大器正是利用了频响修正这一优势而成为灵活多用的器件。另外，许多比较器还带
14、有内部滞回电路，这避免了输出振荡，但同时也使其不能当作运算放大器使用。而实验中用稳压管达到一定稳压作用，加之电压跟随器使输出波形相对稳定。 积分性能，均指理想情况而言。 实际的积分电路不可能是理想的，常常出现积分误差。主要原因是实际集成运放的输入失调电压、输入偏置电流和失调电流的影响。实际的C存在漏电流等。情况严重时甚至不能正常工作。实际应用时要注意这些问题。六.总结与心得体会 由于此次是首次课程设计，我这次的设计是通过与同学的讨论与认真计算设计分析所完成的，课程设计的任务一般是设计、组装并调试一个简单的电子电路装置。需要我们综合运用“模拟电子技术基础”课程的知识，通过查阅资料、方案论证与选定
15、；设计和选取电路和元器件；分析指标及讨论，完成设计任务。 在这次课程设计中，我学会了怎样去根据课题的要求去设计电路和调试电路。动手能力得到很大的提高。从中我发现自己并不能很好的熟练去使用我所学到的模电知识。在以后学习中我要加强对使用电路的设计和选用能力。但由于电路比较简单、定型，而不是真实的生产、科研任务，所以我们基本上能有章可循，完成起来并不困难。把过去熟悉的定型分析、定量计算逐步，元器件选择等手段结合起来，掌握工程设计的步骤和方法，了解科学实验的程序和实施方法。这对今后从事技术工作无疑是个启蒙训练。通过这种综合训练，我们可以掌握电路设计的基本方法，提高动手组织实验的基本技能，培养分析解决电
16、路问题的实际本领，为以后毕业设计和从事电子实验实际工作打下基础。同时也让我充分认识到自己的空想与实践的差别，认识莫眼高手低，莫闭门造车，知识都在不断更新和流动之中，而扎实的基础是一切创造的源泉，只有从本质上理解了原理，才能更好的于疑途寻求柳暗花明，实现在科学界的美好畅游和寻得创造的快乐。 一切为我所用，党老师的一句话点中了当今信息的重要，也揭示了搜寻信息的重要性，只有学会利用别人以发现的才可以少走弯路，尽早取得成功。最后，感谢党老师的支持和教导，期待新的征途。参考文献 1.华中理工大学电子学教研室编，康华光主编：电子技术基础（模拟部分）第四版，高等教育出版社，1999。 2.清华大学电子学教研组编，童诗白主编：模拟电子技术基础（第三版），北京：高等教育出版社，2001。 3.吴运昌编著：模拟集成电路原理与应用，华南理工大学出版社，1995 4.电子技术实训教程/徐国华主编.北京：北京航空航天大学出版社，2006.8 5.电子电路实验与虚拟技术/范爱平编著。济南：山东科技技术出版社，2001.09
