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1、 课程设计汇报书 波形发生器 学 院 电子和信息学院 专业班级 学生姓名 学生学号 指导老师 课程编号 课程学分 1 起始日期
2、 波形发生器 一、 选题背景 波形发生器是一个常见信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学试验等领域。函数信号发生器是一个能够产生多个波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波电路。函数信号发生器在电路试验和设备检测中含有十分广泛用途。经过对函数波形发生器原理和组成份析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、矩形波函数波形发生器。 二、方案论证 1、设计题目要求 1.1、功效要求 1.1.1、同时三通道输出，采取正弦波、矩形波、三角波级联结构； 1.1.2、电源由稳压电源供给； 1.2、指标要求： 1.2.1、输出电压要求正弦波Vp-p>10V
3、矩形波Vp-p>10V、三角波Vp-p>4V； 1.2.2、输出波形频率范围为100Hz—2kHz； 1.2.3、通带内输出电压幅度峰峰值误差小于5%； 1.2.4、矩形波占空比可调整，调整范围：10%～90%； 2、总体设计方案 2.1 设计思绪 依据模拟电子技术基础课程，可经过RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，经过比较器变换成矩形波，再经过积分电路变换成三角波；或同过滞回比较器和RC电路组成矩形波发生电路产生矩形波，经过积分电路变换成三角波，再用滤波法变换成正弦波。 2.2 设计方案 满足上述设计功效能够实施方案很多，现提出以下多个方案： 2．
4、2．1方案一 ① 原理框图 图2.2.1 方案一原理框图 ② 基础原理 经过RC桥式正弦波振荡电路，产生正弦波，改变电阻R和电容C值实现频率可调；经过单限比较器，产生矩形波，接入参考电压，经过改变和参考电压串联电阻阻值，实现占空比可调；经过积分电路，产生三角波。 2．2．2方案二 ① 原理框图 图2.2.2 方案二原理框图 ② 基础原理 经过矩形波发生电路产生矩形波，改变阻值和电容实现频率可调，利用二极管单向导电性能够引导电流流经不一样通路，改变电位器阻值实现占空比可调；经过积分电路产生三角波；经过低通滤波器产生正弦波。 2.3 方案论证和比较 方案
5、一中RC桥式正弦波振荡电路，因为两个电位器阻值须相等才能实现降低失真，所以改变频率时，两个电位器改变量必需相等，增加了调整难度；方案二滤波法要求三角波为固定频率或频率改变范围很小，而题目要求频率范围为100Hz—2kHz，不符合要求；而若用折线法需要大量电阻和二极管，成本较高；总而言之，方案一在成本和指标实现上更具优势，所以采取方案一。 三、 单元电路设计 3．1 、RC桥式正弦波振荡电路 3．1．1、 RC桥式正弦波振荡电路及其工作原理或功效说明 图3.1.1 RC桥式正弦波振荡
6、电路 倘若存在频率，是电路产生附加相移为±π，而且，则电路将产生自激振荡。当 趋近于3时， 趋近于无穷大，表明电路即使在无输入情况下，也会有频率为输出电压，即电路产生了自激振荡。因为电路仅对频率信号放大，而对其它频率信号快速衰减为零，所以输出频率为正弦波。 3．1．2 、RC桥式正弦波振荡电路元件选择和计算 3.1.2.1、确定R、C值 因为要求频率范围为100Hz—2kHz，选择1kHz为中心频率。 因为 ① ② 得到 为了使选频网络选频特征尽可能不受集成运算放大器输入电阻Ri和输出电阻Ro影响，应使R满足下列关系式：Ri>>R>>Ro，通常Ri约
7、为几百千欧以上，Ro仅为几百欧以上。故确定R=16KΩ，则C=10nF。 3.1.2.1、确定R1、R3 RC选频网络对于中心频率放大倍数为 ，而回路起振条件为。故放大电路电压放大倍数 ，即 ，取 。而其中， 为二极管正向动态电阻。 为了减小输入失调电流和漂移影响，电路应该满足直流平衡条件，即： 总而言之： ③ 由 ④ ⑤ r d≈5.1KΩ 得： R1=24kΩ Rf=48kΩ R4=42.
8、9kΩ (经试验室实际调试，取41kΩ) 3．2 、单限比较器电路 3．2．1、单限比较器电路及其工作原理或功效说明 图3.2.1 单限比较器电路 依据叠加原理，集成运放反向输入端电位 ⑥ 令，则求出阈值电压 ⑦ 当初，，所以，；当初，，所以，。只要改变参考电压大小和极性，和电阻R5和R6阻值，就能够改变阈值电压大小和极性。 3．2．2、单限比较器电路元件选择和计算 为了节省元件使用，直接使用运放工作电源作参考电压电源；因为输入信号频率和振幅全部会影响 R5、R6取值，经试验R5取100K
9、Ω电位器，R6取200kΩ时满足占空比范围10%~90%指标；R7作保护电阻，取2KΩ。 3.3、积分电路 3．3．1、积分电路及其工作原理或功效说明 3．3．1 积分电路 由“虚地”，电容电流等于电阻R8电流，所以得到积分电路公式： ⑧ 又公式可知，当输入为矩形波时，输出为三角波。 3．3．2、积分电路元件选择和计算 为使三角波不出现顶部失真，应使用较大电容，这里选择0.1μF电容；经试验调试，R选择为5KΩ电位器调整时，既能使波形保持不失真，又便于调整；为了预防低频信号增益过大，在电容上并联一个电阻加以限制，经调试，取阻值为30KΩ效果最好。 3.4、
10、稳压电源电路 3．4．1、稳压电源电路及其工作原理或功效说明 图3.4.1 稳压电源电路 稳压直流电源是将220V交流电力转换为直流电路或装置，为电子设备提供能量。小功率直流稳压电源由以下四部分组成：变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路。 1) 电源变压器是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要交流电压，并送给整流电路，变压器变比由变压器副边电压确定； 2) 整流电路利用单向导电元件，把50Hz正弦交流电变换成脉动直流电。在桥式整流电路中，每个二极管全部只在半个周期内导电，所以流过每个二极管平均电流等于输出电流平均值二分之一。电路中每只
11、二极管承受最大反向电压为(是变压器副边电压有效值)。 3) 滤波电路能够将整流电路输出电压中交流成份大部分加以滤除，从而得到比较平滑直流电压。 4) 稳压电路关键由78系列（输出正电压）和79系列（输出负电压）组成。 3．4．2、稳压电源电路元件选择和计算 变压器原、副边匝数比： ； 查询1N4001反向击穿电压为50V>22V，符合要求； 整流电路输出电压为22V； 电容值应满足：C>>(T*I)/(2U),通常选择电容值为C=(3-5)(T*I)/(2U).其中T为输入正弦信号周期，我们现在用市电频率全部为50Hz,故有其周期为T=1
12、/f=0.02s,I为三端稳压器最大输入电流，U为三端稳压器最小输入电压（22V）， 带入各项计算得：C=1817uF，取uF。 四、整机电路 4.1 整机电路图 图4.1 整机电路图 4.2 元件清单 名称 型号 数量 电阻 2KΩ 1 24KΩ 1 30KΩ 1 48KΩ 1 100KΩ 1 200KΩ 1 电位器 5KΩ 1 100KΩ 3 电容 10nF 2 0.1μF 1 二极管 1N4001 2 稳压管 5.1V 2 单刀双掷开
13、关 1 运放 UA741 3 五、 性能指标测量和分析 5.1 电路测试 5.1.1 测试使用仪器 示波器 数字万用表 5.1.2电路调试步骤 ① 连接电路，用示波器按次序查看正弦波，矩形波，三角波波形； ② 在出问题电路单元查看导线连接是否正确； ③ 检验UA741芯片静态工作点电压是否正常； ④ 检测并调整电位器电阻；
14、 5.1.3测量数据和分析 正弦波 频率（Hz） Vpp（V） 98.7710 11.91 549.619 12.76 987.967 27.11 1.511K 25.84 2.106K 15.79 矩形波 频率（Hz） 占空比 Vpp（V） 98.7710 10% 12.48 50% 12.23 90% 12.61 987.967 10% 12.55 50% 12.21 90% 12.44 2.106K 10% 12.23 50% 12.25 90% 12.20 三角波 频率（Hz） Vpp（V）
15、 99.443 8.64 2.096K 10.96 数据分析：所测得数据振幅均满足“输出电压要求正弦波Vp-p>10V、矩形波Vp-p>10V、三角波Vp-p>4V”条件；输出波形频率范围超出100Hz—2kHz；矩形波占空比实现10%～90%范围内可调整。 5.1.5电路波形图 图5.1.5.1 频率100Hz，占空比10% 图5.1.5.2频率100Hz，占空比50% 图5.1.5.3 频率100Hz，占空比90%
16、 图5.1.5.4 频率1KHz，占空比10% 图5.1.5.5频率1KHz，占空比50% 图5.1.5.6 频率1KHz，占空比90% 图5.1.5.7 频率2KHz，占空比10% 图5.1.5.8 频率2KHz，占空比50% 图5.1.5.9 频率2KHz，占空比90% 图5.1.5.10频率100Hz三角波 图5.
17、1.5.11 频率1KHz三角波 5.1.5 故障分析及处理 RC桥式正弦波振荡电路无波形输出，检测导线无错误，用万用表检测运放工作电压，发觉不正常，查看运放供电电压后发觉，电源没有接地，接地后，有波形出现；不过输出波形失真，检验导线无错误后，用数字万用表检测并调整R1、R2至阻值相等后，波形不再失真。 单限比较器电路无波形输出，检验导线连接无误后，调整电位器R5阻值，矩形波逐步出现。 积分电路输出三角波出现失真，用一值为100KΩ电阻并联电容C3，波形失真降低，改用150KΩ和50KΩ电阻，发觉用50KΩ效果愈加好，以此法再试用其它电阻，发觉30KΩ电阻效果最好。
18、 5.2 电路实现功效和系统使用说明 电路能实现三通道同时输出，可输出正弦波，矩形波，三角波；频率可在100Hz—2kHz范围内调整；矩形波占空比可在10%～90%范围内调整。同时调整R1、R2即可调整频率；调整R5和参考电压极性，即可调整矩形波占空比。 六 课程设计总结 拿到题目首先是看题目要求，回想自己所学过知识，思索怎样实现，再网上找相关资料，用Multisim仿真，在面包板上搭建，调试。网上资料质量参差不齐，经过这次课程设计，我愈加好学会判定和筛选；往往需要自己结合书本知识来重新计算，重新设计。仿真成功不意味着搭建电路就好成功，在这次课程设计就碰到了波形失真，需要调整参数，接线错误，需要反复检验才能找到等问题。另外，问询同学和老师也是处理问题好方法；在和同学和老师讨论中，学到了很多个人经验积累小技巧，收益匪浅。最终，经过这次课程设计，我对模拟电子电路理论知识有了更深了解，把理论利用于实际，也大大提升了我动手能力。 参考文件 ［1］童诗白，华成英. 《模拟电子技术基础》．北京：高等教育出版社，. 334~336,425~428
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