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压控三角波-方波发生器的设计

压控三角波-方波发生器的设计

姓名：刘伟

学号：2010014010

系别：物理系

专业：电子信息科学与技术专业

指导教师：赵祥敏

完成时间：2011，11，24

目录

第一章 绪论
1.1关于课程设计 ………………………………………………(1)
1.2 关于压控三角波-方波发生器 ………………………………(1)
第二章 系统方案认证
2.1 课程设计目的………………………………………………(1)
2.2 设计任务……………………………………………………(1)
2.3 设计内容与要求 ……………………………………………(1)
2.4 方案设计……………………………………………………(1)
2.4.1压控三角波-方波发生电路组成框图 ……………………(1)
第三章 原理图设计及仿真
3.1压控三角波方波发生器方案一 ………………………………(1)
3.1.1 方波产生电路 …………………………………………(1)
3.1.2 三角波产生电路 ………………………………………(1)
3.1.3 滞回电压比较器 ………………………………………(1)
3.1.4 压控三角波-方波发生器 ……………………………………(1)
3.2 压控三角波方波发生器方案二………………………………(1)
3.2.1 NE555装置的三角波-方波发生器电路图 ………………(1)
3.2.2 NE555装置的压控三角波-方波发生器电路原理…………(1)
3.3 压控三角波方波发生器方案三………………………………(1)
3.3.1由集成运放构成的压控三角波—方波发生器原理图 ……(1)
3.3.2由集成运放构成的压控三角波—方波发生器输出波形……(1)
3.3.3由集成运放构成的压控三角波—方波发生器的原理 ……(1)
第四章 硬件电路安装调试
4.1 面包板的使用方法及注意事项………………………………(1)
4.2 硬件电路安装………………………………………………(1)
4.2.1 滞回电压比较器直流传递特性的测定……………………(1)
4.2.2 压控三角波-方波发生器的实现…………………………(1)
4.3 电路的调试…………………………………………………(1)
第五章 结论………………………………………………………(1)

2

压控三角波-方波发生器的设计
压控三角波-方波发生器的设计

第一章 绪 论

1.1关于课程设计
课程设计作为集中实践性教学环节，应着重提高学生的自学能力，独立分析、解决问题的能力和动手进行实验的能力。
为了培养学生自学能力，对于设计或实验中可能碰到的重点、难点，只要通过典型分析和讲解，启发学生的思路和自学的方法，以便达到举一反三的作用。设计中还要交给学生查阅资料、使用工具书的方法，让他们遇到问题时，不是立刻找老师，而是通过独立思考，查阅资料和书籍，自己寻找答案。

1.2 关于压控三角波-方波发生器
本次课程设计是要求做一压控三角波-方波发生器
产生电路，众所周知,制作函数发生器的电路有很多种.本次设计采用的电路是基于运放的试验电路.
由理论分析知,电压比较器可以产生方波,积分电路可以产生三角波,三角波再经过差动放大器可以产生正弦波.向电压比较器输入三角波就可以产生方波,于是可以将积分电路的输出作为电压比较器的输入.各种波形频率段的调整可以由外电路的改变来实现。

第二章 系统方案认证

2.1课程设计目的
（1）掌握波形发生电路的设计和调试方法；
（2）掌握波形发生电路的参数的计算方法。

2.2设计任务
设计一个压控三角波－方波产生电路。指标要求如下 ：控制电压范围：1～2V；重复频率范围：500～1000 Hz；

2.3设计内容与要求
（1） 根据设计要求和已知条件，确定电路方案，计算并选取外电路的元件参数。
（2） 测量振荡电路输出方波－三角波的振荡频率，使之满足设计要求。

2.4方案设计
产生方波、三角波的方案有多种，本次实验主要采用用电压比较器和积分器同时产生方波和三角波。其中电压比较器产生方波，对其输出波形进行一次积分产生三角波。

2.4.1压控三角波-方波发生电路组成框图

RC振荡电路
方波产生
三角波产生
比较电路
积分电路

图2-1 压控三角波- 方波发生电路组成框图

第三章 原理图设计及仿真

3.1压控三角波方波发生器方案一

3.1.1 方波产生电路
因为方波电压只有两种状态，不是高电平、就是低电平。所以电压比较器是它的重要组成部分。它由反相输入的滞回比较器和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、放电实现使输出状态自动地相互转换。

3.1.2 三角波产生电路
三角波电路波形可以通过积分电路实现，把方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到了三角波。

3.1.3 滞回电压比较器
图3-1为一种滞回电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R3起限流作用，R2和R1构成正反馈，运算放大器当up>un时工作在正饱和区，而当un>up时工作在负饱和区。从电路结构可知，当输入电压uin小于某一负值电压时，输出电压uo= -UZ；当输入电压uin大于某一电压时，uo= +UZ。运算放大器在两个饱和区翻转时up=un=0，由此可确定出翻转时的输入电压。up用uin和uo表示，有

根据翻转条件，令上式右方为零，得此时的输入电压

Uth称为阈值电压。滞回电压比较器的直流传递特性如图3-2所示。设输入电压初始值小于-Uth，此时uo= -UZ ；增大uin，当uin=Uth时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小uin ，当uin= -Uth时，运放则开始进入负饱和区。

图3-2 滞回电压比较器的直流传递特性
图3-1 滞回电压比较器

如果给图3-1所示电路输入三角波电压，其幅值大于Uth ，设t = 0时，uo= -UZ ，其输出波形如图3-3所示。可见，输出为方波。

图3-3 输入为三角波时滞回电压比较器的输出波形

3.1.4 压控三角波-方波发生器：
给图3-1所示的滞回电压比较器级联一积分器，再将积分器的输出作为比较器的输入，如图3-4所示。由于积分器可将方波变为三角波，而比较器的输入又正好为三角波，因此可定性判断出，图3-4电路的输出电压uo1为方波，uo2为三角波，如图3-5所示。下面分析其振荡周期。

图3-4 压控三角波-方波发生器
积分器输出电压从-Uth增加到+Uth所需的时间为振荡周期T的一半，由积分器关系式

或

注意到 ，故

振荡频率则为

图3-5 压控三角波-方波发生器的输出波形

3.1 压控三角波—方波发生器方案二

3.2.1 NE555装置的三角波-方波发生器电路图

图3-6 NE555装置的压控三角波-方波发生器电路图

3.1.2 NE555装置的压控三角波-方波发生器电路原理
工作原理：电路如图3-6所示。VT1、VT2和电阻R1构成恒流源，用于对电容C2实现线性充电；VT3、VT4和电阻R2构成恒流源，用于电容C2实现线性放电。
电路刚接通，C2上电压为零，555时基集成电路的②、⑥脚小于1/3Vcc,其③脚输出高电平（约10.8V），二极管VD4正偏，VD3反偏；VD1正偏，VD2反偏。VT2集电极电流流过VD1向C2充电，当C2上电压线性增长到23Vcc（即8V）时，555的⑥脚触发，使③脚输出低电平（约0V）。此时VD1、VD4反偏，而VD2、VD3正偏、电容C2上的电荷通过VT3集电极放电，当C2上电压线性下降到1/3Vcc（即4V）时，555的②脚触发，而使③复位，输出高电平，如此周而复始，在555的②、⑥脚便可得到线性度很高的三角波，而在③脚便可得到占空比为50%的方波。
该电路的频率为0~200kHz及以上的范围，且稳定度很高。电路的频率通过计算求得：
f≈0.1375/(R1+R2)C2
按电路中所给的R1、R2的值，f≈208KHz。电路图中VT5为高ß输出缓冲级，三角波从VT5的射极取出，幅度约为4V。
同时，本电路可以变通应用：改变R1或R2的大小，可以改变三角波上升或下降时间，相应改变方波的占空比，或者控制555的⑤脚电压，即可改变③脚方波的频率（线性变化）。

3.3 压控三角波—方波发生器方案三

3.3.1 由集成运放构成的压控三角波—方波发生器原理图

图3-7由集成运放构成的压控三角波—方波发生器原理图

3.3.2 由集成运放构成的压控三角波—方波发生器输出波形

图3-8 由集成运放构成的压控三角波—方波发生器输出波形

3.3.3 由集成运放构成的压控三角波—方波发生器的原理
在图3-7所示的电路中，第一级A1组成迟滞电压比较器，输出电压uo1为对称的方波信号。第二级A2组成积分器，输出电压u。为三角波信号。
设稳压管的稳压值为Uz，则电压比较器输出的高电平为+Uz，低电平为－Uz，由图3-7可得，A1同相端的电压为

由于此电压比较器的u=0，令u＋＝0，则可求得电压比较器翻转时的上、下门限电位分别为

门限宽度为

比较器输出±Uz经电位器RP分压后，加到积分器的反相输人端。设分压系数为n，则积分器输入电压为±nUz，反相积分器的输出电压为

当t=0时，有

当t=t1时，有

所以方波和三角波的周期为

方波和三角波的频率为

由以分析可知，改变Uz可改变输由电压u01,U0的幅度改变R1/R2的比值，可改方波、三角波的周期或频率，同时影响三角波输出电压的幅度，但不影响方波输出电压的幅度；改变而和R．C，可改变频率，而不影响输出电压的幅度。

第四章 硬件电路安装调试
4.1 面包板的使用方法及注意事项
1.安装分立元件时，应便于看到其极性和标志，将元件引脚理直后，在需要的地方折弯。为了防止裸露的引线短路，必须使用带套管的导线，一般不剪断元件引脚，以便于重复使用。一般不要插入引脚直径〉0.8mm的元器件，以免破坏插座内部接触片的弹性。
2.对多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐，引脚不能弯曲，所有的引脚应稍向外偏，这样能使引角与插孔可靠接触。要根据电路图确定元器件在面包板上的排列方式，目的是走线方便。为了能够正确布线并便于查线，所有集成电路的插入方向要保持一致，不能为了临时走线方便或缩短导线长度而把集成电路倒插。
3.根据信号流程的顺序，采用边安装边调试的方法。元器件安装之后，先连接电源线和地线。为了查线方便，连线尽量采用不同颜色。例如：正电源一般采用红色绝缘皮导线，负电源用蓝色，地线用黑线，信号线用黄色，也可根据条件选用其它颜色。
4.面包板宜使用直径为0.6mm左右的单股导线。根据导线的距离以及插孔的长度剪断导线，要求线头剪成45º斜口，线头剥离长度约为6mm左右，要求全部插入底板以保证接触良好。裸线不宜露在外面，防止与其它导线断路。
5.连线要求紧贴在面包板上，以免碰撞弹出面包板，造成接触不良。必须使连线在集成电路周围通过，不允许跨接在集成电路上，也不得使导线互相重叠在一起，尽量做到横平竖直，这样有利于查线，更换元器件及连线。
6.最好在各电源的输入端和地之间并联一个容量为几十微法的电容，这样可以减少瞬变过程中电流的影响。为了更好地抑制电源中的高频分量，应该在该电容两端再并联一个高频去耦电容，一般取0.01 ~ 0.047Uf的独石电容。
7.在步线过程中，要求把各元器件在面包板上的相应位置以及所用的引脚号标在电路图上，以保证调试和查找故障的顺利进行。
8.所有的地线必须连接在一起，形成一个公共参考点。
4.2 硬件电路安装

4.2.1 滞回电压比较器直流传递特性的测定
“压控三角波-方波发生器”实验包括滞回电压比较器直流传递特性的测定及方波——三角波发生器的实现。
按图4-1接线，R1=10kΩ、R2=20kΩ、R3=3.3kΩ、UZ≈6V、U+= +15V，U-= -15V，最后在面包板上形成这样的电路(电路连线镜头)。给比较器加一适当频率和幅值的正弦电压，用示波器观察并记录传递特性和输出波形，并测定阈值电压。

图4-1 滞回电压比较器

4.2.2 压控三角波-方波发生器的实现

按图4-2接线（电路图特写），用示波器观察uo1和 uo2的波形（教杆指向波形），其中uo1为方波，uo2为三角波。最后要求测出其幅值和频率。

图4-2 压控三角波-方波发生器实验电路

4.3 电路的调试
由于电压比较器与积分器组成正反馈闭环电路，同时输出方波与三角波，故这两个单元电路可以同时安装。如果电路接线正确，则在接通电源后，比较器的输出VO1为方波，积分器的输出VO2为三角波。
元器件的选择是高性能放大的保证，在实际连线与焊接过程中，运放的参数必须尽可能相同，同时为了提高共模抑制比和精确增益调控，运放输入端电阻必须精确匹配。
第五章 结 论
通过这次对波形发生器的设计与制作，让我了解了设计电路的程序，也让我了解了关于波形发生器的原理与设计理念，要设计一个电路总要先用仿真，仿真成功后才实际接线的。但是最后的成品却不一定与仿真时完全一样，因为，在实际接线中有着各种各样的条件制约着。而且，在仿真中无法成功的电路接法，在实际中因为元器件本身的特性而能够成功。所以，在设计时应考虑两者的差异，从中找出最适合的设计方法。
这次课程设计虽然短暂但是让我得到多方面的提高，首先，提高了我们的逻辑思维能力，使我们在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。加深了我们对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识。另外，我们还更加充分的认识到，模拟电路这门课程在科学发展中的至关重要性。其次，查阅参考书的独立思考的能力以及培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到，但由于时间和资料有限我们更多的还是独立思考。最后，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，开始并不理解方波三角波发生器的原理，但是和同学讨论后，理解了方波三角波发生器的基本原理，很快的根据电路原理图连接好电路板。
在这次课程设计的过程中，让我了解了要多思考、多比较和多尝试把所学的书本知识应用于实际，培养自己的动手能力。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我们通过查找大量资料，请教老师，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

参考文献
[1] 谢自美《电子线路设计.实验.测试（第三版）》武汉：华中科技大学出版社。2000年7月
[2] 杨帮文《新型集成器件家用电路》北京：电子工业出版社，2002.8
[3] 李炎清《毕业论文写作与范例》厦门：厦门大学出版社。2006.10
[4] 潭博学、苗江静《集成电路原理及应用》北京：电子工业出版社。2003.9
[5]陈梓城《家用电子电路设计与调试》北京：中国电力出版社。2006

附录 电路原理图

致谢
在这次课程设计中， 首先，我要感谢我的老师在课程设计上给予我的指导、提供给我的支持和帮助，这是我能顺利完成这次报告的主要原因，更重要的是老师帮我解决了许多技术上的难题，让我能把系统做得更加完善。在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。
其次，我要感谢帮助过我的同学，他们也为我解决了不少我不太明白的设计商的难题。同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。
最后再一次感谢所有在设计中曾经帮助过我的良师益友和同学

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