多功能锯齿波.doc

中北大学
课 程 设 计 说 明 书

学 院： 信息与通信工程学院
专 业： 电子信息工程
题 目： 信号与系统的分析与处理部分
多功能锯齿波发生器的设计

张并生

指导教师： 职称: 高级工程师

2009 年12月28日

中北大学
课程设计任务书

09/10 学年第 一 学期

学 院： 信息与通信工程学院
专 业： 电子信息工程
课程设计题目：信号与系统的分析与处理部分：
多功能锯齿波发生器的设计
起 迄 日 期：2009年12月28 日～2010年 元 月 15日
课程设计地点： 05013室
指 导 教 师： 张并生
系 主 任： 程耀瑜

下达任务书日期: 2009 年12月28日

课 程 设 计 任 务 书
1．设计目的：
通过对多功能波型发生器的设计，加深对电子技术、测试测量技术理论的认识，为毕业设计打下良好基础。
2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

设计内容：
用积分器和模拟电压比较器实现锯齿波，通过电子开关，或用手动控制。实现对电路的工作方式控制。
功能与主要技术指标：
⑴ 在控制开关的作用下，能实现单周期扫描、间歇扫描、连续扫描和停止扫描控制功能；
⑵ 具有输出幅度调节、直流偏置调节和扫描周期调节功能；
⑶ 输出电压幅度在±10V的范围内可调，线性度优于0．01%；
⑷ 要求主要选用集成运放实现；

3．设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：
1． 查阅相关资料；
2． 提出具体方案；
3． 递交课程设计说明书（印刷稿，电子稿各一份）。

课 程 设 计 任 务 书
4．主要参考文献：
[1] 毕满清，电子技术 实验与课程设计，2版， 机械工业出版社，2001
[2] 清华大学电子学教研组工程大学，模拟电子技术基础，2版。高等教育出版社，1995
[3] 华中理工大学电子学教研室。陈大钦，杨华，模拟电子技术基础，2版，
高等教育出版社，2000
[4] 李万臣，谢红，模拟电子技术基础实验与课程设计。哈尔滨工程大学出版社，2001
[5] 付家才，电工电子实践教程。北京，化学业出版社，2003

5．设计成果形式及要求：

课程设计说明书一份；
仿真结果。

6．工作计划及进度：
2009年12月28日 ~ 2010年01月02 日： 查资料; 在指导教师指导下完成设计方案
2010年01月03日 ~ 2010年01月06 日： 学生完成实验，指导教师辅导
2010年01月07日 ~ 2010年01月13 日： 完成课程设计说明书
2010年01月14日： 答辩或成绩考核
系主任审查意见：

签字：
年 月 日

设计说明书应包括以下主要内容：
   （1）封面：课程设计题目、班级、姓名、指导教师、时间
   （2）设计任务书
   （3）目录
   （4）设计方案简介
   （5）设计条件及主要参数表
   （6）设计主要参数计算
   （7）设计结果
   （8）设计评述,设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会
   （9）参考文献

目录
摘要………………………………………………………………………7
1 引言……………………………………………………………………7
2 锯齿波电路设计………………………………………………………7
2.1 锯齿波发生器原理………………………………………………….7
2.2 器件与单元电路介绍……………………………………………….7
2.3 锯齿波发生器整体电路…………………………………………...10
3 电路仿真……………………………………………………………..12
3.1 multisim9仿真软件介绍………………………………………..12
3.2锯齿波发生器整体电路的仿真……………………………………14
4 设计心得……………………………………………………….…….15
5参考文献………………………………………………………………15

多功能锯齿波发生器的设计
摘要：锯齿波是常用的基本测试信号。在无线电通信、测量、自动化控制等技术领域广泛地应用着。如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。因此锯齿波发生器是学习，科学研究等方面不可缺少的工具。在三角波发生器的基础上，改变积分电路的充放电时间，从而便可以得到锯齿波发生器。本论文设计了一款锯齿波发生器，它信号参数可调，且电路结构简单，性能较好。
关键字：锯齿波发生器，运算放大器，EDA，Multisim 9

1 引言

在日常生活中，以及一些科学研究中，常常会应用到锯齿波发生器。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要用锯齿波电流来控制。本电路中锯齿波发生器主要是用集成运算放大器实现的，它具有结构简单，调试方便等特点。

2 锯齿波电路设计

本论文中，锯齿波发生器是运用相关器件组合而产生的电路，其中一个非常重要的部件就是集成运算放大器，以及由集成运算放大器组成的滞回比较器、积分器。用集成运放实现的电路结构简单，调整方便。
2.1 锯齿波发生器的原理
如果在三角波发生电路中,有意识地使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊,则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号。要实现幅度可调,则需将控制输出电压幅度的相应参数设置成可调参数即可。

图2.1 锯齿波发生器组成框图

2.2 器件与单元电路的介绍
2.2.1集成运算放大器
图1是集成运放的符号图，1、2端是信号输入端，3、4是工作电压端，5是输出端，在实际中还有调零端，频率补偿端和偏置端等辅助端。集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端以及一个输出端。图中标有“+”号的是同相输入端，标有“—”号的是反相输入端，当信号从同相端输入时，输出信号和输入信号同相，反之则反相。当集成运放工作在线性区时，它的输入信号电压和输出信号电压的关系是：
（1）
式中是运放器的放大倍数，是非常大的，可达几十万倍，这是运算放大器和差分放大器的区别，而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高，一般达几百千欧到几兆欧，因此在实际应用中，常常把集成运放器看成是一个“理想运算放大器”。
理想运算放大器的两个重要指标为：
（1）差模输入阻抗为∞；
（2）开环差模电压增益Aod为∞。
根据这两项指标可知，当理想运算放大器工作在线性区时，因为其输入阻抗为∞，因此在其两个输入端均没有电流，即在图1中，如同两点被断开一样，这种现象称为“虚断”。
又因为，根据输入和输出端的关系：，所以认为运放的同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。这种现象成为“虚短”。
“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论，常常作为分析许多运放电路的出发点。当理想运放工作在非线性区时，则“虚短”现象不复存在。

图1 集成运算放大器

2.2.2 滞回比较器
滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图2所示。

图2 滞回比较器电路原理图

输入电压Ui经电阻加在集成运放的反相输入端，参考电压Uref经电阻接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rf引回同相输入端。电阻和背靠背稳压管VDz的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在Uz。
在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即时，输出端的状态将发生跳变。其中U+则由参考电压Uref及输出电压Uo二者共同决定，而Uo有两种可能的状态：+Uz或－Uz。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图3所示。

图3 滞回比较器的传输特性

下面对此电路进行定性的分析：
利用叠加原理可求得同相输入端的电位为： （2）
若原先Uo=+Uz,当Ui逐渐增大时，使Uo从+Uz跳变为—Uz所需的门限电平用UT＋表示，由上式可知：
（3）
若原先Uo=－Uz，当Ui逐渐减小，使Uo从—Uz跳变为+Uz所需的门限电平用UT－表示，则：
（4）
上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号表示，由以上两式可求得：
（5）
由此可见，门限宽度的值取决于稳压管的稳定电压Uz以及电阻和的值，但与参考电压Uref无关。也就是说，当Uref增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。说明滞回比较器的抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT＋和UT—的值，就可以避免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变。
2.2.3 积分电路
积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，可以实现对微分方程的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。
电路组成如图4，根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知：电路的输出电压Uo与电容两端的电压Uc成正比，而电路的输入电压Ui与流过电容的电流ic成正比，即Uo与Ui之间成为积分运算关系。

图4 积分电路

由于集成运放的反相输入端“虚地”，故可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则，故即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得：
（6）
由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输出电压即可转变为三角波。

2.3 锯齿波发生器整体电路

2.3.1 电路组成
图5所示为一个锯齿波发生电路。图中集成运放A1组成滞回比较器；二极管VD1、VD2和电位器Rw，使积分电路的充放电回路分开，故A2组成充放电时间常数不等的积分电路。调节电位器Rw滑动端的位置，使Rw1远小于Rw2，则电容放电的时间常数将比充电的时间常数小得多，于是放电过程很快，而充电过程很慢，即可得锯齿波。滞回比较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端，而积分电路输出的锯齿波又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变，从而在A2的输出端得到周期性的锯齿波。

图5 锯齿波发生器整体电路

2.3.2工作原理
假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。由于A1同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo有关，根据叠加原理，可得：
（7）
则此时U+也为高电平。但当时，积分电路的输出电压Uo将随着时间往负方向线性增长，U+随之减小，当减小至时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使，同时U+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，U+也随之增大，当增大至时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使,同时U+也跳变为一个正值。然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo为锯齿波。如图6所示：

图6 锯齿波发生电路的波形图

由上图可知，当发生跳变时，锯齿波输出Uo达到最大值Uom，而发生跳变的条件是：
，将条件，代入（7）式，可得：
（8）
由此可解得锯齿波输出的幅度为： (9)
要使得幅度可调，由（9）式可知，改变参数即可，所以实际电路中采用滑动变阻器；调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度。从而满足设计要求。

3.电路仿真

3.1 multisim9仿真软件的介绍
加拿大的Interactive Image Technologies公司(简称IIT公司)从21世纪80年代开始陆续推出了EWB5.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8，它们已经为电子工程师和广大电子专业的师生所熟悉，并得到广泛应用。IIT公司于2005 年12月发布了最新电子仿真软件Multisim 9。它将以前推出的EWB5.0和Multisim2001版本功能大大提高，比如EWB5.0版本，在做电路仿真实验调用虚拟仪器时，一个品种每次只能调用一台，这是一个很大的缺陷。又如Multisim2001版本，它的与实际元件相对应的现实性仿真元件模型只有6种，而Multisim9版本增加到10种；Multisim2001版本的虚拟仪器只有11种，而Multisim9版本增加到17种；特别象示波器这种最常用的电子仪器，Multisim2001版本只能提供双踪示波器，而Multisim9版本却能提供4踪示波器，这给诸如试做数字电路仿真实验等需要同时观察多路波形提供了极大的方便。又比如Multisim2001版本只能提供“亮”与“灭”两种状态黑白指示灯，而Multisim9版本却能提供蓝、绿、红、黄、白5种颜色的指示灯，使用起来更加方便和直观。总之，Multisim9版本电子仿真软件是比较先进、功能最强大的仿真软件，是仿真软件的佼佼者。
当启用后，它的基本界面如图7所示：

图7 Multisim7的基本界面

基本界面最上方是菜单栏(Menus)，共11项，包括编辑、视图等。基本界面的左侧为元件工具栏，其中13个元件库中分别放置同一类型的元件，左列从上到下分别是：电源库(Sources)、基本元件库(Basic)、二极管库(Diode)、晶体管库(Transistor)、模拟元件库(Analog)、TTL器件库(TTL)、CMOS器件库(CMOS)、各种数字元件库(Miscellaneous Digital)等。
基本界面右侧为仪表工具栏，该工具栏含有用来对电路工作状态进行测试的仪器仪表，从上到下分别为：数字万用表(MultiMate)、函数信号发生器(Function Generator)、瓦特表(Wattmeter)、示波器(Oscilloscope)、4通道示波器(4 channel Oscilloscope)、扫频仪(Bode Plotter)、频率计(Frequency Counter)、数字信号发生器(Word Generator)等17种测试的仪器仪表。
选择元器件可以点击基本界面左侧的元件工具栏，如果选择基本元件，可以单击左侧元件工具栏Basic按钮，则将出现下列对话框，如图8所示。倘若选择滑动变阻器，单击“OK”按钮即可。

图8 操作界面的基本对话框

图9 更改元件参数对话框

选择元件之后，若要对其进行相应的改动，双击选中的元件，通过对话框可以更改元件的显示，若是虚拟元件还可以更改它的大小。如图9所示。
3.2 锯齿波发生器整体电路的仿真
3.2.1 仿真
幅度可调锯齿波发生电路包括两部分，一是由集成运算放大器组成的滞回比较器电路，二是由集成运算放大器组成的积分电路。它的主要元器件包括集成运算放大器、电容、电阻、可调电位器、二极管、稳压管等。将滞回比较器的输出电压接在示波器通道A一端，积分电路的输出电压接在示波器的通道B一端，便可对电路进行仿真，得出仿真结果。

图10锯齿波仿真图

图12 仿真结果

为满足锯齿波0－10v幅度可调以及调试的方便，我们取为的可调滑动变阻器，，稳压管的幅度为5v。由（9）式可知：锯齿波的最大幅度理论值为：
（10）
3.2.1 仿真结果的分析
电路中采用的是虚拟器件，因此有可能影响仿真结果，由图11可知，仿真时锯齿波的最大幅度可达11.2v，比理论值稍大。仿真结果同预期结果大体相同。
4 设计心得
通过对锯齿波发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题，提高我们的动手能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中，我个人感觉调试部分是最难的，因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数，我们必须通过观察效果来改变参数的数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程，没有经验是不可能在短时间内将其完成的，而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧！
5 参考文献
[1] 毕满清，电子技术 实验与课程设计，2版， 机械工业出版社，2001
[2] 清华大学电子学教研组工程大学，模拟电子技术基础，2版。高等教育出版社，1995
[3] 华中理工大学电子学教研室。陈大钦，杨华，模拟电子技术基础，2版，
高等教育出版社，2000
[4] 李万臣，谢红，模拟电子技术基础实验与课程设计。哈尔滨工程大学出版社，2001
[5] 付家才，电工电子实践教程。北京，化学业出版社，2003

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