锯齿波发生器.doc

论文设计

论文名称： 锯齿波发生器的设计
作者名称： 何 明 华
学校： 广州大学松田学院
院系： 电气与汽车工程系
专业： 电子信息工程
班 级： 09电子（2）班

二零一零 年 十 月 十五 日

目 录

摘要 1
1 绪论 1
2 技术指标及要求 1
2.1 设计任务及要求 1
2.1.1 设计任务 1
2.1.2 设计要求 1
2.2 设计思想 1
3 方案论证及整体电路工作原理 1
3.1 方案论证 1
3.1.1 锯齿波发生器 2
3.1.2 可调放大 2
3.1.3 直流偏置 2
3.2 整体电路工作原理 2
4 单元电路设计：计算、元器件选择及电路图 2
4.1 锯齿波发生器电阻、电容的计算 2
4.2 可调放大电阻的计算 4
4.3 直流偏置电阻的计算 4
5 测试结果及与理论指标对比分析 5
5.1 输出波形 6
5.2 测试结果与理论指标分析 7
6 整体电路图元件及器件明细 7
6.1 整体电路图 7
6.2 元件及器件明细 9
7 成果评价、设计特点、存在的问题及改进意见 9
7.1 成果的评价 9
7.2 本设计的特点 9
7.3 存在的问题和改进的意见 9
参考文献 9

5

摘要
在电子工程、通信工程、自动控制、遥控控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到锯齿波形发生器。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成锯齿波发形发生器，其波形质量、幅度和频率稳定性、可调性都能达到较高的性能指标。
关键词
锯齿波发生器；可调放大；直流偏置

Abstract
In electronic engineering, communication engineering, automatic control, remote control, measuring instruments, meters and computer technology, often need to use sawtooth waveform generator. Along with the rapid development of the integrated circuit, integrated circuit can be easily constitute the sawtooth wave generator, the waveform quality 2.trendy haircut, amplitude and frequency stability, controllability can achieve higher performance index.
Key words
Sawtooth wave generator;  Adjustable amplification; Dc bias

1 绪论
人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的发展。锯齿波和正弦波、三角波是常用的基本测试信号。此外，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。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均匀搜索荧光屏。而电视机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。因此，锯齿波在实际中有广泛的应用。
由于不同的电子产品可能需要不同频率及幅度的锯齿波，设计可调电阻就会得到与它匹配的波形，从而使得它能正常工作，使它的工作效率达到最高。
…………
2 技术指标及要求
2.1 设计任务及要求
2.1.1 设计任务
…………
根据任务书的要求，需要设计锯齿波发生器环节，输出波形还需要一种可调节电路。
…………
2.1.2 设计要求
（1）设计一个锯齿波发生器，要求输出频率范围为1KHz～10KHz；幅度范围Vpp≈10v连续可调；上升斜率连续可调；直流偏置±5V连续可调
…………
（2）选择电路方案，确定电路方案的设计。计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。
…………
2.2 设计思想
本次设计首先采用比较器输出矩形波，通过积分器将波形转换为三角波，调节电位器，当积分电路的正向积分时间常数远大于反向积分常数，或者反向积分时间常数远大于正向积分时间常数时，那么输出电压U0上升和下降的斜率相差很多，就可以获得锯齿波。利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路相同，就可得到锯齿波发生电路。将锯齿波接到同向比例运算电路的输入端，调节电位器，可以改变幅值。再将输出接到同向求和运算电路，就能得到直流偏置的效果。
…………
3 方案论证及整体电路工作原理
3.1 方案论证
…………
3.1.1 锯齿波发生器
主要有迟滞比较器和RC充放电电路组成。比较器属于信号处理的一种，他的作用是将输入信号的电平进行比较，然后把比较的结果输出。实验采用的迟滞比较器的特点是：单输入增大及减少时，两种情况下的门限电压不相等，传输特性呈现出“滞回”曲线的形状。
…………
3.1.2 可调放大
由于结果光看的是输出波形，故采用同向比例运算电路，以便观察时方便可靠。
…………
3.1.3 直流偏置
由设计要求知，要输出±5V直流偏置，利用求和运算电路，调节合适的阻值，就可得到偏置的效果，因此选择多个直流电压输入，达到求和的目的。
…………
3.2 整体电路工作原理
根据交流电变成直流电的原理，该设计问题按先后顺序可分为锯齿波发生器（比较器、积分器）、可调放大电路、直流偏置（同向求和）电路，其流程图如图1所示。

比较器

积分器

可调放大电路

偏置电路

输出uo

图 1 流程图
…………
4 单元电路设计：计算、元器件选择及电路图
4.1 锯齿波发生器电阻、电容的计算
锯齿波发生器电路如下：

设二极管导通的等效电阻可忽略不计，电位器的滑动端移到最上端。当U01=+Uz时，D1导通，D2截止，输出电压的表达式为：

随时间线性下降。当时，D2导通，D1截止，输出电压的表达式为：

随时间线性上升。由于Rw远大于R3，和的波形如图（b）所示。
根据三角波发生电路震荡周期的计算方法，可以得出下降时间和上升时间分别为：

所以震荡周期为：

将和设为电位器，则调整和、的阻值以及C的容量，可以改震荡周期。调整的值可以改变的输出波形的占空比，以及锯齿波上升和下降斜率。
根据积分器的特点，锯齿波的转换须将时间常数设置的尽量小一点，可以选择C为0.01uf和0.1uf,稳压管稳压值为5V，电位器取20K，取10K，取5K，取100，取100，取100。
…………
4.2 可调放大电阻的计算
可调放大电路如下：

在同向比例运算电路中，输入为上一级锯齿波。根据“虚短”和“虚断”的概念，得：==。净输入电压为零，因而得：

根据放大关系，可取放大倍数20倍左右，可取电位器=20K，=1K，则放大倍数可达21倍左右。调节的大小，可以改变放大倍数，故可得到最后结果。
4.3 直流偏置电阻的计算
直流偏置电路如下：

同向求和电路中，多个输入信号同时作用于集成运放的同向输入端。根据运算关系，得：

同向输入端电位为：

其中=‖‖
经计算可得：

在此电路中，输入为上一级的的输出，输入+12V，输入-12V，当、取1K，取2K，取6K时，经计算，可得为+5V；当当、取1K，取6K，取2K时，为-5V。
因此电路中可设=1K，电位器、取10K，取20K。
5 测试结果及与理论指标对比分析
仿真时所得波形图如下：

此波形频率约为1KHz。

此波形约为10KHz。
…………
5.1 输出波形

输出波形如图所示：

幅度调节后波形的对比
…………
5.2 测试结果与理论指标分析
试验中输出波形与仿真的较为相同，由于实验因素的原因，波形会有一定的失真或者波形滤的不是那么完美，但基本满足实验要求。
由波形可得，波形在频率较高时，会出现波形圆滑的现象，并且越来越接近正弦波。可能是由于采用的运放不那么理想以及取得电容不能达到预期的效果。误差是有，但相对来说是很好的。
…………

6 整体电路图、元件及器件明细
6.1 整体电路图
电路如图

6.2 元件及器件明细
表4 元器件清单
序号
元件
器件明细
1
5.1V/0.5W稳压管
2个
2
二极管1N4148
2个
3
单运放LM318
4个
4
电位器10kΩ
4个
5
电位器20kΩ
3个
6
500Ω、100Ω电阻
各1个
7
5 kΩ、1 kΩ电阻
各2个
8
电位器5kΩ
1个
9
瓷片电容0.1μF、0.01uf
各5个

7 成果评价、设计特点、存在的问题及改进意见
7.1 成果的评价
在这次的锯齿波发生器设计中，所测试的结果达到设计要求的结果。因此，这次设计是成功的一次。
…………
7.2 本设计的特点
本设计的特点是采用多个运放逐级的连接，实现波形的转换以及幅度调节，电路中主要采用多个电位器可调来完成参数的调节，这样可以输出不同的波形。
…………
7.3 存在的问题和改进的意见
当输出频率较高时，输出波形出现失真以及自激振荡严重，产生很多次波，影响了波形的观察以及波形的质量。使得不能达到理想的状态，比如发生器，产生的波形频率大了很不理想。因此，用电容将输入电压以及输出波形进行滤波处理，否则输出就不太好。
…………
参考文献
[1] 康华光．电子技术基础（模拟部分）（第四版）．武汉：高等教育出版社，2005.7
[2] 舒庆莹．凌玲．模拟电子技术基础实验．武汉：武汉理工大学出版社，2008.2
[3] 徐国华．电子技能实训教程．北京：北京航空航天大学出版社，2006
[4] 谢自美．电子线路设计（第三版）．武汉：华中科技大学出版社，2006
…………