正弦波-方波-锯齿波函数转换器.doc

课程设计说明书
课程设计名称: 模拟电子技术课程设计
课程设计题目:正弦波-方波-锯齿波函数转换器
学 院 名 称: 信息工程学院
专业: 通信工程 班级: 090421
学号: 09042134 姓名: 赵尚虎
评分: 教师:
20 11 年 3 月 16 日
任务书
题目3:设计制作一个产生正弦波—方波—锯齿波函数转换器。
设计任务与要求
① 输出波形频率范围为0、02Hz~20KHz且连续可调;
② 正弦波幅值为±2V;
③ 方波幅值为2 V;
④ 锯齿波峰-峰值为2V,占空比可调;
摘要
本次课程设计得目得就是:
应用电路分析低频等所学得知识设计一个正弦波-方波-锯齿波函数发生器。设计得正弦波-方波-锯齿波函数发生器就是由正弦波发生器、过零比较器、积分电路等三大部分组成。正弦波发生器产生正弦波,正弦波经过过零比较器转变为方波,方波经过积分电路产生锯齿波。
关键字:正弦波、方波、锯齿波
目录
第一章 设计目得及任务
1、1 课程设计得目得………………………………………………………5
1、2 课程设计得任务与要求………………………………………………5
1、3 课程设计得技术指标…………………………………………………5
第二章 系统设计方案选择……………………………………………
2、1 方案提出………………………………………………………………6
2、2 方案论证与选择………………………………………………………6
第三章 系统组成及工作原理………………………………………………
3、1 系统组成………………………………………………………………7
3、2 正弦波发生电路得工作原理…………………………………………7
3、3 正弦波转换方波电路得工作原理……………………………………8
3、4 方波转换成锯齿波电路得工作原理…………………………………9
3、5 总电路图………………………………………………………………11
第四章 单元电路设计、参数计算、器件选择……………………
4、1 正弦波发生电路得设计………………………………………………12
4、2 正弦波转换方波电路得设计…………………………………………13
4、3 方波转换成锯齿波电路得设计………………………………………14
第五章 实验、调试及测试结果与分析……………………………
5、1电路总体仿真图如下所示……………………………………………17
5、2 调试方法与调试过程…………………………………………………18
第六章 结论………………………………………………………………21
参考文献……………………………………………………………………23
附录(元器件清单)……………………………………………………23
第一章 设计得目得及任务
1.1课程设计得目得
1.掌握电子系统得一般设计方法
2.掌握模拟器件得应用
3.培养综合应用所学知识来指导实践得能力
4.掌握常用元器件得识别与测试
5.熟悉常用仪表,了解电路调试得基本方法
1.2课程设计任务与要求
1、设计制作一个正弦波-方波-锯齿波函数转换器
2、能同时输出一定频率一定幅度得3种波形:正弦波、方波与锯齿波
3、可以用±12V或±15V直流稳压电源供电
1.3 课程设计得技术指标
1.设计、组装、调试函数发生器
2.输出波形:正弦波、方波、锯齿波
3.频率范围 :在0、02HZ-20KHZ范围内连续可调
4.输出电压:正弦波幅值+2V、方波幅值2V,锯齿波峰峰值2V,占空比可调
第二章 系统设计方案选择
2、1 方案提出
方案一: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—锯齿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锯齿波。
方案二:采用直接频率合成器,从信号得幅度相位关系出发进行频率合成。
2、2 方案论证与选择
方案一电路就是通过RC正弦波振荡电路,具有良好得正弦波,正弦波通过电压比较器产生稳定得方波信号,方波信号经过积分器产生锯齿波,方案一得电路能通过改变门限电压,改变方波得占空比,而且此方案可调节正弦波得幅值。电路简单有效,精度较高,性价比高,易于制作,能应用于各种波形仿真、实验应用等。
方案二能实现快速频率变换,具有低相位噪声以及所有方法中最高得工作频率。但由于采用大量得倍频、分频、混频与滤波环节,导致直接频率合成器得结构复杂、体积庞大、成本高,而且容易产生过多得杂散分量,难以达到较高得频谱纯度。相对而言,方案一较为合理有效,因此选择方案一。
第三章 系统组成及工作原理
3、1 系统组成及设计框图
RC正弦波振荡电路:确定选频网络就是串联还就是并联,用滑动变阻器代替电阻,以起到选频得效果,反馈部分用两个并联得二极管,起到稳幅得作用,再加滑动变阻器,用以改变正弦波得幅度;
电压比较器:正弦波经过电压比较器变成方波,要改变方波得占空比就得改变其门限电压,通过外加受滑动变阻器调节得电源来实现可调门限电压;
积分器:占空比调小后得方波经过积分器即可得到锯齿波。

积分器

锯齿波
电压比 较
电压比 较
自激振荡产生正选波(RC正选波振荡电路)

图1
3、2 正弦波发生电路得工作原理
产生正弦振荡得条件:
正弦波产生电路得目得就就是使电路产生一定频率与幅度得正弦波,我们一般在放大电路中引入正反馈,并创造条件,使其产生稳定可靠得振荡。正弦波产生电路得基本结构就是:引入正反馈得反馈网络与放大电路。其中:接入正反馈就是产生振荡得首要条件,它又被称为相位条件;产生振荡必须满足幅度条件;要保证输出波形为单一频率得正弦波,必须具有选频特性;同时它还应具有稳幅特性。因此,正弦波产生电路一般包括:放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路等四个部分。
正弦波振荡电路得组成判断及分类:
1)放大电路:保证电路能够有从起振到动态平衡得过程,电路获得一定幅值得输出值,实现自由控制。
2)选频网络:确定电路得振荡频率,就是电路产生单一频率得振荡,即保证电路产生正弦波振荡。
3)正反馈网络:引入正反馈,使放大电路得输入信号等于其反馈信号。
4)稳幅环节:也就就是非线性环节,作用就是输出信号幅值稳定。
判断电路就是否振荡得方法就是:
(1)就是否满足相位条件,即电路就是否就是正反馈,只有满足相位条件才可能产生振荡
(2)放大电路得结构就是否合理,有无放大能力,静态工作就是否合适;
(3)就是否满足幅度条件
正弦波振荡电路检验,若:
(1) 则不可能振荡;
(2) 振荡,但输出波形明显失真;
(3) 产生振荡。振荡稳定后。此种情况起振容易,振荡稳定,输出波形得失真小
分类:
按选频网络得元件类型,把正先振荡电路分为:RC正弦波振荡电路;LC正弦波振荡电路;石英晶体正弦波振荡电路。
RC正弦波振荡电路
常见得RC正弦波振荡电路就是RC串并联式正弦波振荡电路,它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。串并联网络在此作为选频与反馈网络。它得起振条件为:。它得振荡频率为:f0=1/(2RC)
它主要用于低频振荡。要想产生更高频率得正弦信号一般采用LC正弦波振荡电路。它得振荡频率为:f0=1/(2RC)。石英振荡器得特点就是其振荡频率特别稳定,它常用于振荡频率高度稳定得得场合。
3、3 正弦波转换方波电路得工作原理
在单限比较器中,输入电压在阀值电压附近得任何微小变化,都将引起输出电压得跃变,不管这种微小变化就是来源于输入信号还就是外部干扰。因此,虽然单限比较器很灵敏,但就是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性,即具有惯性,因此也就具有一定得抗干扰能力。从反向输入端输人得滞回比较器电路如图1a所示,滞回比较器电路中引人了正反馈。从集成运放输出端得限幅电路可以瞧出,Uo＝±UZ。集成运放反相输人端电位Up＝Ui同相输入端电位

图2
令UN=Up求出得Ui就就是阀值电压
输出电压在输人电压U,等于阀值电压时就是如何变化得呢？假设Ui<-UT,那么UN一定小于Up,因而Uo＝+Uz,所以Up=+UYO。只有当输人电压Ui增大到+UT,再增大一个无穷小量时,输出电压Uo才会从+UT跃变为-UT。同理,假设Ui>+ UT,那么UN一定大于Up,因而Uo＝- UZ,所以Up＝- UT。只有当输人电压Ui减小到-UT,再减小一个无穷小量时,输出电压Uo才会从- UT跃变为+ UT。可见,Uo从+ UT跃变为- UT与从- UT跃变为+ UT得阀值电压就是不同得,电压传输特性如图b)所示。
　　从电压传输特性上可以瞧出,当- UT＜Ui＜+ UT时,Uo可能就是- UT,也可能就是+ UT。如果Ui就是从小于-UT,得值逐渐增大到- UT 大于+ UT足以引起Uo得下降,即会产生如下得正反馈过程:Uo得下降导致Up下降,而Up得下降又使得Uo进一步下降,反馈得结果使Uo迅速变为－UT,从而获得较为理想得电压传输特性。
本电路中该电路得作用就是将正弦信号转变成方波信号,其传输特性曲线如下图所示:

图3
3、4 方波转换成锯齿波电路得工作原理

图4
当输入信号为占空比调小后得方波时,其输出信号为锯齿波,电路波形图如下:

图5
3、5 总电路图

图6
第四章 单元电路设计、参数计算、器件选择
4、1 正弦波发生电路得设计
本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波,其电路图如下所示:
图7
该电路Rf回路串联两个并联得二极管,如上图所示串联了两个并联得1N4148二极管,这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大得特点,加入非线性环节,从而使输出电压稳定。
此时输出电压系数为
Au=1+(Rf+rd)/R1
RC振荡得频率为:fo1/2piRC
用Multisim10、0对电路进行仿真得到正弦波:

图8
仿真与理论接近
4、2 正弦波转换方波电路得设计
本电路可以采用滞回电压比较器将正弦波转成方波,其电路原理如下图所示:

图9
原理上文已讲述,此处省略。
也可以采用与滞回比较器功能相似得另一电路实现,如下图:

图10
输出电压幅值仅由稳压管决定,所以选稳压管(1N4748)。
用Multisim10、0对其进行仿真得到如下波形图:

图11
4、3 方波转换成锯齿波电路得设计
本电路中方波转成锯齿波采用积分电路,其电路原理如下图所示:

图12
积分电路:
U0=-+u0(t1)
其中,积分电路图中得电路

图13
用于调节占空比。
锯齿波形如下图所示:

图14
第五章 实验、调试及测试结果与分析
5、1电路总体仿真图如下所示

图15
输出波形:正弦波、方波、锯齿波
频率范围 :在0、02HZ-20KHZ范围内连续可调
输出电压:正弦波幅值约为±2V、方波幅值约为2V,锯齿波峰峰值约为2V,占空比可调
5、2 调试方法与调试过程
总电路图如下所示

图16

图17
该电路分为三部分,第一部分为RC桥式正弦振荡电路,其功能就是利用RC振荡产生特定频率得正弦波,通过调节电阻R2改变正弦波幅值;第二部分为类似电压比较器得电路,其功能为将正弦波转成方波;第三部分为积分电路,其功能为利用积分电路将方波转成锯齿波,锯齿波通过调节R8得大小改变锯齿波得幅值。在正弦波产生电路中f=1/2piRC,改变RC得值可以改变电路得信号频率,在积分电路中,改变R9得值可以改变方波得占空比。
①实验数据:
正弦波幅值(v)
±1、96
方波幅值(v)
±2、0
锯齿波峰峰值(v)
2、1
②数据分析:
实验结果与仿真结果一致,在误差范围内,都符合设计要求。
③误差分析:
ⅰ、电阻得实际值与标称值存在误差;
ⅱ、RC选频网络中得R、C参数得选择不合理导致频率得选择不达不到要求;
ⅲ、电位器得大小选择不合适,导致调节得精度不够高;
ⅳ、焊接时管脚得连接容易短路或开路,导致波形不能出来;
第六章 结论
1 要满足课设得频率调节要求,0、02HZ——20KHZ ,
这个部分需要该进成得多档调节(此方法就是模拟电子技术基本教程课本上P281得震荡频率连续可调得RC串并联网络)或者就是更多得档位(多向开关实验室也没有,所以只能够用一个电容,因此频率调节得范围就小了)。
模块二:以下就是过零比较器电路,用来将正弦波转换成方波得部分

2对于就是一个稳幅电路,其作用就是稳定方波得幅值,使之满足课设要求得2V(可就是实验室没有这样幅值得稳压管,给得就是6V得所以输出得要求不能满足)。
模块三:以下就是调节方波占空比得电路,用来将方波转换成矩形波得部分

这个电路在实际中好像没有多大得效果,我个人估计这样得电路需要在输出与前一级输入之间有个反馈！
不过在后来得求证当中,为了调节方波得占空比,可以再第二级得部分稍作改动,将过零比较器改为不过零得,即放大器得正极管脚输入一个稳定得电压就可以使得翻转电压因此而改变,改进图:。这样在第二级输出得图形就直接就是矩形波了。
3:以下就是积分电路,用来将矩形波转换成锯齿波得部分

1、 对于这个电路图对于方波转换成三角波就是没有问题得,可就是要将矩形波转换成锯齿波得话,也许要在这级与前一级间再引入一个反馈,这里就没有多做仿真了,因为对于这个理论我们还没有找到相关得资料。
我与队友设计得电路基本能达到设计要求,但还有部分电路单元需要改进
参考文献
邱光源,电路(第五版),高等教育出版社
华成英主编,模拟电子技术基础教程,,清华大学出版社
附录一 元件清单
1. 10K电阻 3个
2. 11K电阻 1个
3. 100K电阻 1个
4. 0、01uf电容 1个
5. 0、1uf电容 2个
6. LM324 1个
7. 1、45V稳压管 2个
8. IN4148二极管 4个
9. 10K电位器 1个
10. 1M电位器 3个
LM324集成预算放大器芯片资料