课程设计——波形发生器.doc

１、概述
波形发生器就是一种常用得信号源,广泛地应用于电子电路、自动控制系统与教学实验等领域。函数信号发生器就是一种能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波（含方波)、正弦波得电路。函数信号发生器在电路实验与设备检测中具有十分广泛得用途。通过对函数波形发生器得原理以及构成分析,可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波得函数波形发生器。本课程采用采用ＲＣ正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成得正弦波—方波—三角波函数发生器得设计方法。先通过ＲＣ正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波,最后通过积分电路形成三角波。
2.设计方案
采用ＲC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成得正弦波—方波—三角波函数发生器得设计方法。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波,最后通过积分电路形成三角波。文氏桥振荡器产生正弦波输出,其特点就是采用RC串并联网络作为选频与反馈网络,其振荡频率f=1/2πRＣ、改变RC得值,可得到不同得频率正弦波信号输出。用集成运放构成电压比较器,将正弦波变换成方波输出。用运放构成积分电路,将方波信号变换成三角波。
原理框图如图２-1
文氏桥振荡器
方波形成电路
三角波形成电路
频率选择控制
直流电源

图２-１设计方案一框图
3、 设计原理
3、1正弦波产生电路
正弦波由ＲＣ桥式振荡电路（如图3-1所示),即文氏桥振荡电路产生。文氏桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点而大量应用于低频振荡电路。正弦波振荡电路由一个放大器与一个带有选频功能得正反馈网络组成。其振荡平衡得条件就是AF＝1以及ψa+ψf=２nπ。其中A为放大电路得放大倍数,F为反馈系数。振荡开始时,信号非常弱,为了使振荡建立起来,应该使AF略大于1。　
放大电路应具有尽可能大得输入电阻与尽可能小得输出电阻以减少放大电路对选频特性得影响,使振荡频率几乎仅决定于选频网络,因此通常选用引入电压串联负反馈得放大电路。正反馈网络得反馈电压Uf就是同相比例运算电路得输入电压,因而要把同相比例运算电路作为整体瞧成电路放大电路,它得比例系数就是电压放大倍数,根据起振条件与幅值平衡条件有
(Rf=R2+Ｒ１/／Ｄ1//Ｄ2)
且振荡产生正弦波频率

图中D１、D２得作用就是,当Vｏ1幅值很小时,二极管D1、D2接近开路，近似有Rf＝９、１K＋２、7K＝11、８K,,Av=1+Rf/R1=3、３＞＝３，有利于起振;反之当Vo得幅值较大时,D1或D2导通,Rf减小，Av随之下降,Ｖo1幅值趋于稳定。

3-１正弦波产生电路
3、2 正弦波——方波产生电路
如图，Vo1为正弦信号输入，经过迟滞比较器ｕ2后输出方波Vo２。电路工作原理:运放同相端接基准电压，即U+=０，反相端输入电压Vo1,Ｒ８称为平衡电阻。当比较器得U＋=U－=０时，输出Vo2从高电平跳到低电平,或从低电平跳到高电平。此时

由于Ｖｏ2=±Ｖz,可得上、下门限电压为

正弦波输入信号Ｖo1在上升到Ｖｔ+之前，Ｖｏ２保持不变,超过Vｔ+后Ｖo2翻转,直到Vo1下降到Vt－,Vo2再翻转,如此反复便形成Vｏ２方波输出。
图3-2　正弦波——三角波产生电路
3、３ 方波——三角波变换电路
　 　　 　 图3－3 方波——三角波变换电路
此电路由反相输入得过零比较器与ＲC电路组成。ＲＣ回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过ＲＣ充、放电实现输出状态得自动转换。设某一时刻输出电压Uo=＋Uz,则同相输入端电位Uｐ＝＋UT。Uo通过Ｒ３对电容C正向充电,如图中实线箭头所示。反相输入端电位ｎ随时间t得增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于＋Ｕz;但就是,一旦Ｕn≥０，Ｕo从+Uｚ跃变为－Uz，与此同时Ｕｐ从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R３对电容C反向充电,如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时，Ｕｎ趋于－Uｚ；但就是,一旦Un≤0,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从－Ｕt跃变为+Ut,电容又开始正相充电。上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
±UT＝±Ｒ2∕（Ｒ6+ＲW)Ｕ02m 　　 　　 　 T=2R6(Ｒ6+RW)C3∕R７
运放得反相端接基准电压，即U－=０,同相输入端接输入电压Uｉa,R6称为平衡电阻。比较器得输出Uo１得高电平等于正电源电压＋Vｃc,低电平等于负电源电压-Veｅ(|+Vcc|＝|-Ｖee|), 当比较器得U＋=Ｕ-＝0时，比较器翻转,输出Uo1从高电平跳到低电平－Vee，或者从低电平Vee跳到高电平Vｃc。
由以上公式可得比较器得电压传输特性、
当输入信号为方波Uo1,则积分器得输出Uｏ3为
Uo=+Ｕz,Ｄ5导通,Ｄ６截止,Ｕｏ3＝-1/(R６C)Uz(t1-ｔ０）+Ｕo(t0）
Uo=-Uz,Ｄ6导通,Ｄ5截止，Uo3=１/(Ｒ6+Rw')Ｕz(t2-ｔ１)＋Ｕｏ（ｔ1)
可见积分器得输入为方波时,输出就是一个上升速度与下降速度不相等得占空比可调得三角波、
经计算，如果选R６＝1k,则R７=10Ｋ，C=１00ｎF、ﻫ三角波图与方波图３-4所示:
ﻩ图３－4 方波与三角波
３、4正弦波——方波——三角波发生电路

ﻩ图4-5　完整波形发生器电路图
3、5 电源电路设计
制作方法就是利用桥式整流器与稳压IC搭配适当规格之电容构成整流电路,将一般常用之220伏特电源转为±１5Ｖdc之电源,其电路图如图8所示,２20伏特电源经桥式整流器后,利用三端稳压ＩC781５与7915将电压值调整至±１5Vｄc，其中7815为正电压调整器用以稳定电压至+15V,７９1５则进行负电压调整。

图３-6 供电电路
4 主要元器件得工作原理及参数
4、1 变压器
变压器就是电子电路,用来升压降压得电力变压器，变压器得原理就是电磁感应技术，变压器有两个分别独立得共用一个铁芯得线圈。分别叫作变压器得次级线圈与初级线圈。
电流得方向与大小随时间变化得，变压器初级通上交流电时,变压器得铁芯中产生了交变得磁场(其中接电源得绕组叫初级线圈,其余得绕组叫次级线圈）,在次级就感应出频率相同得交流电压、变压器得初次级线圈得匝数比等于电压比。变压器只能改变交流电压，不能改变直流电压,因为直流电流就是不会变化得,电流通过变压器不会产生交变得磁场,所以次级线圈只能在直接接通得一瞬间产生一个瞬间电流与电压。
变压器得主要参数:
电压比 n=U1/U２=N1/N２
效 率 η=Ｐ2／P1*１00％
额定功率 P
4、2 桥式整流电路　　
桥式整流电路由四个二极管组成,如图4－1所示。

图4-1 桥式整流电路
工作原理:
　U2正半周时: Ｄ1、Ｄ3导通, D2、D４截止
　 　 U2负半周时:D２、Ｄ4　导通， Ｄ1　、D３截止
主要参数：
输出电压平均值：ＵＬ=0、９U2
输出电流平均值：IＬ=　UL／RL =0、9U2／ RL
流过二极管得平均电流:ID=IL／2
二极管承受得最大反向电压：2５V–10０0V
４、3　三端稳压器
该稳压器内部设有电流过流﹑过热与调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏,用它来组成稳压电源只需很少得外围元件,电路简单,且安全可靠。
4、4 　稳压二极管
稳压器二极管也叫齐纳二极管，稳压原理:给稳压二极管施加反向电压并使其值增大,当反向电压之值达到稳压二极管得稳定电压时,其正常雪崩击穿,若在此情况下,一定范围内改变电源电压得波动或改变负载电流得大小,齐纳电流ＩZ与动态电阻随之而改变,然而,齐纳电压ＵZ却稳定不变。稳压二极管串联一个电阻来提供一个稳定得参考电压VREF,其中稳压二极管选用１N4735,其稳定电压为６、２Ｖ,限流电阻R１3选用1K。稳压二极管1Ｎ4735得重要参数:
最大工作电流IZＭ
稳定电压ＵZ
动态电阻RZ
４、５ 　集成运算放大器
集成电路运算放大器就是一种高电压增益、高输入电阻与低输入电阻得多级直接耦合放大电路,它得种类很多,电路也不一样，但结构具有共同之处,如下图4-2表示集成运放得内部电路组成得原理框图。
差分输入级
电压放大级
输出级
偏置电流

　 　　　 　图4-2 集成运放得内部 电路组成得原理框图
如图４-２集成运放得输入级一般就是由BIT、JFＥT或ＭOSFET组成得差分式放大电路,利用它得对称特性可以提高整个电路得共模抑制比与其她方面得性能。它得两个输入端构成整个电路得反相输入端与同相输入端。电压放大级得主要作用就是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成,以降低输出电阻,提高带负载能力。偏置电路就是为个级提供合适得工作电流。其代表符号与输入输出传输特性如图4-３所示。

VT-
VT+

图４－3 集成运放符号与传输特性
５、　 心得体会
一周得课程设计很快就结束了,但其过程可谓曲折艰难,通过本周得课程设计,我认识到课本上得知识得实际应用，激发了学习兴趣，增强了思考与解决实际问题得能力。这就是我第一次做课程设计,给我留下了很深得印象。虽然只就是短暂得一周,但在这期间,却让我受益匪浅。
这次课程设计让我认识到了知识与实践得重要性。只有牢固掌握了所学得知识,才能有清晰得思路,知道每一步该怎样走。才能顺利得解决每一个问题。就以这次课程设计为例,刚拿到题目得时候,大致瞧一下要求，根据平时所学得知识，脑海中就立刻会想到应该用到得元器件,然后再去图书馆去查这些元器件得资料，很快地初步方案以及大概得电路原理图就出来了。但就是,在具体得细节设计上,我却不知道为什么,从而明白了自己基础知识掌握得不牢固。还好由老师得指导与同学们得帮助，才使我顺利得完成此次课程设计所以，这次课程设计在让我认识了知识得重要性之外,更让我明白了自己理论知识与实践知识得欠缺,让我坚定了以后努力学习知识得决心。
参考文献
[１］ 何小艇，电子系统设计、浙江大学出版社,２001年6月
[２]　姚福安,电子电路设计与实践、山东科技技术出版社，2001年10月
［3] 王澄非，电路与数字逻辑设计实践、东南大学出版社，1999年１0月
［4] 李银华,电子线路设计指导、北京航空航天大学出版社,20０5年６月
［5］ 康华光,电子技术基础、高教出版社,200３
附录一 　总电路图

附录二　 原件清单
序号
村料名称
规格型号
数量(个)
１
固定电阻

2K
1
2
２、7Ｋ
1
3
3K
1
4
5、１K
1
5
9、1K
1
6
10K
１
７
15K
２
8
20K
1
9
可调电阻
２0K
2
１0
电容
0、０15ｕF
2
11
０、022uF
1
１2
4７0uF
4
１３
二极管
１N４1４8
2
14
稳压管
ＤZ89C6V２
1
１５
三端稳压器
Ｗ7815
2
16
变压器
２２0——1８V
１
17
集成运放
ｕA741
2
1８
桥堆
2Ｗ0６
1
附录三 集成运放UA7４１管脚分布图

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