正弦波方波三角波

正弦波方波三角波 1 课程设计名称:设计制作一个方波\三角波\正弦波\锯齿波发生器 摘要 函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路。该电路可为实验室提供波形频率范围为0.02Hz~20kHz，幅值2v的稳定信号源。大大降低了实验成本，有效的简化了实验的操作步骤，是实验室小型电路信号发生器的理想所选，具有广泛的应用价值。 此信号发生器采用模块化结构，主要由以下三个模块组成，即正弦波发生器模块、方波发生器模块、三角波发生器模块。在设计此函数信号发生器时，采用模块化的设计思想，使设计起来更加简单、容易、条理清晰。同时调试起来也更容易。 经过一系列的分析、准备，本次设计除在美观方面处理得不够得当之外,完成了全部的设计要求。 2 关键词: 函数信号发生器、 LM324 、 集成运算放大器、晶体管差分放大 目 录 前言 ??????????????????????????????????????????????????????????? 4 第一章 函数发生器的设计要求????????????????????????????????????? 5 1.1 波形发生器的特点及应用 ?????????????????????????????????? 5 1.2 设计任务及要求 ?????????????????????????????????????????? 5 第二章 电路设计原理及单元模块??????????????????????????????????? 6 2.1 设计原理????????????????????????????????????????????????? 6 2.1 单元模块????????????????????????????????????????????????? 6 2.1.1 RC选频振荡模块 ??????????????????????????????????????? 6 2.1.2 过零比较器 ??????????????????????????????????????????? 8 2.3.3 产生三角波模块????????????????????????????????????????? 9 第三章 安装与调试?????????????????????????????????????????????? 12 3 3.1 电路的安装??????????????????????????????????????????????? 12 3.2 电路的调试??????????????????????????????????????????????? 12 3.2 电路的分析??????????????????????????????????????????????? 13 结 论 ?????????????????????????????????????????????????????????? 14 参考文献???????????????????????????????????????????????????????? 14 附 录一????????????????????????????????????????????????????????? 15 附 录二????????????????????????????????????????????????????????? 16 前言 科学技术是第一生产力。三次工业革命使我们的社会发生了翻天覆地的变化，使我们由手工时代进入了现代的电器时代。同时科技在国家的国防事业中发挥了重要的作用，只有科技发展了才能使一个国家变得强大。而作为二十一世纪的主义，作为一名大学生，不仅仅要将理论知识学会，更为重要的是要将所学的知识用于实际生活之中，使理论与实践能够联系起来。 波形发生器在实际生活中有很重要的作用，影响着科技的发展，在当今社会又好又快的生活方式是人们所向往的，因此作为一名学习知识的青年，应该学好基础知识，设计出是人民满意的东西，产出人性化和自能化的电子产品，另一方面电子产品不断的更新，需要我们更加扎实的基础。 本设验主要完成正弦波-方波-三角波之间的转换，在调节滑动变阻器的阻值时产生不同的波形，当电阻调大或调小都会影响其波形的失真，由RC选蘋振荡电 4 路产生正弦波，用过零比较器产生方波，方波的基础上有两种方法产生三角波，一种是通过积分电路产生三角波，另一种通过低通滤波，两种电路各有所长。 整个电路的设计借助于multisim 2010仿真软件和数字逻辑电路相关理论知识，并在multisim 2010下设计和进行仿真，得到了预期的结果。 第一章 波形发生器设计要求 1.1 波形发生器的特点及应用 随着社会文明的进步和科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门类和技术领域中占有不可或缺的核心地位。在我国现代化建设的发展进程中，电子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广泛。而波形发生器恰恰是电子技术中的一个重要组成部分。 该波形发生器结构简单且制作方便使用范围广，具有连续可调的波形频率，其波形幅值稳定。该波形发生器因其结构简单因此消耗电量低且携带方便，能够极大的满足我们实验要求。 1.2 设计任务及要求 1.2.1基本要求: ? 输出波形频率范围为0.02Hz~20kHz且连续可调; 5 ? 正弦波幅值为?2V，; ? 方波幅值为2V; ? 三角波峰-峰值为2V，占空比可调; ? 设计电路所需的直流电源可用实验室电源。 1.2.2 设计任务及目标: (1)根据原理图分析各单元电路的功能; (2) 熟悉电路中所用到的各集成芯片的管脚及其功能; (3) 进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求; (4) 写出完整、详细的课程设计。 第二章 电路设计原理与单元模块 电路设计原理:为了能够产生方波、正弦波、三角波、锯齿波，我们在电路的设计中运用了波形的转换。以正弦波-方波-三角波(锯齿波)转换为思路，设计电路。因此在设计电路时，充分考虑到它们的相互转换，电路由三部分组成，第一部分通过RC选频振荡产生正弦波，第二部分在正弦波发生的基础上，通过过零比较器产生方波，第三部分在方波的基础上产生三角波，因为方波变三角波有两种:(1)方波通过低通电路产生三角波。(2)方波通过积分电路产生三角波。在方波占空比可调的情况下，则通过调节方波占空比，可得到锯齿波。 2(1 单元模块 RC正弦波发生器 过零比较器 积分电路 信号发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等 6 电压波形的电路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数信号发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器，通过波形转换得到各种输出波形。 式振荡电路得到正弦波，再通过过零比较器，从而得到方波。最后由RC桥 由积分电路，得到三角波。而因为方波占空比可调，因此通过占空比的调节得到锯齿波。 2.1.1 RC选频振荡模块 RC桥式振荡电路及工作原理 RC桥式正弦振荡电路如下图所示。其中R1、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。 R3、RW及R4组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从 图2.1.1RC桥式振荡电路 而调节放大电路的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。 1+R/R=3为了保证电路起振1+R/R>3，R=R+(R//r)，当R=R=R时，C=C=C 时。f3f3fw4D1212 ,,电路的振荡频率:f=1/2RC，起振的幅值条件:R/R2。 f2 为了使振荡幅度稳定，通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极 7 管D1，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管D1、D2截止，负反馈系数由R3、RW及R4决定;当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动工作原理及电路图态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。 为了维持振荡输出，必须让调整电阻RW (即改变了反馈R )，使电路起振，f 且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大R ，如波形失f真严重，则应适当减少R。 f 改变选频网络的参数C 或R，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C 作频率量程切换(粗调)，而调节R作量程内的频率细调。 RC振荡电路 采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz~1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。 常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。 (1) RC移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要求不高的场合。其振荡频率是 RC fo=1/2π (2)RC桥式振荡器 将RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC 8 振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。 如图2.1.2所示，RC串并联选频网络接在 运算放大器的输出端和同相输入端之间，构成 正反馈，R、R1接在运算放大器的输出端和反f 相输入端之间，构成负反馈。正反馈电路和负 反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的 输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以，把这种振荡电路称为 RC桥式振荡电路。 (如图2.1.2)振荡信号由同相端输入，故构成同相放大器，输出电压 Uo与输入电压Ui同相，其闭环电压放大倍数等于Au=Uo/Ui=1+(R/R1)。而f RC串并联选频网络在ω=ωo=1/RC时，Fu=1/3,εf=0?，所以，只要 |Au|=1+(R/R1)>3,即R>2R1,振荡电路就能满足自激振荡的振幅和相位起ff 振条件，产生自激振荡，振荡频率fo等于 fo=1/2πRC 2.1.2 过零比较器工作原理及电路图 在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适 的U和U，如图2.1.4所示。图中R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大OHOL 输出电压U。设稳压管的稳定电压为D，稳压管UD的稳定电压为，UU和U的正向导通电压OMZ1Z1Z2Z2Z1Z2 均为U。 D /当u<0时，由于集成运放的输出电压=+U，uD使工作在稳压状态，工作在正向导通状态，DIOOMZ1Z2 所以输出电压u=U=(U+U) OOHZ1D /当u>0时，由于集成运放的输出电压=-U，uD使工作在稳压状态，工作在正向导通状态，DIOOMZ2Z1 所以输出电压u=U=-(U+U)两只稳压管稳压值相同 。若要求，=U则可以采用两只特性相同U OOLZ20Z1Z2 而又制作在一起的稳压管，其符号如图(b)所示，稳定电压标为?U。 Z 当u<0时，u=U=U; I OOHZ 9 当u>0时，u=U=-U。 I OOLZ 方波产生原理:由正弦波通过过零比较器转化为方波，稳压管有限幅的作用，使其输出的信号 通过稳压管的作用，产生方波，而且可以按照要求控制在2V左右。 在正弦波到三角波之间接了一个3K电阻，促进其平衡，还使用了IN4735 2V的稳压管达到题目 的要求，同时还使用了外接电源+15V，-15V。 基于满足 稳定电压两伏，因此就接了一个两伏的稳压管;由于正弦 波到方波需要一个过零比较器，之间就接了 一个3k 欧 的电阻，产生2V稳定的方波。 图2.1.4滞回比较器 2.1.3三角波产生模块 三角波的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压U。设稳压管D的稳OMZ1定电压为U，稳压管D的稳定电压为U，U和U的正向导通电压均为U。 Z1Z2Z2Z1Z2D /当u<0时，由于集成运放的输出电压u=+U，D使工作在稳压状态，D工IOOMZ1Z2作在正向导通状态，所以输出电压 U=U=(U+U) 0OHZ1D /当u>0时，由于集成运放的输出电压u=-U，D使工作在稳压状态，D工IOOMZ2Z1作在正向导通状态，所以输出电压 U=U=-(U+U)0OLZ2D 若要求，U=U则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，稳定电压标Z1Z2 为?U。 Z 当u<0时，U=U=U; I0OHZ 10 当u>0时，U=U=-U。I0OLZ 三角波信号产生原理: 在方波发生电路中，当滞回比较器的阀值电压数值较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在其输出就得到三角波电压，如图2.1.5所示。当方波发生电路的输出电压U=+U时，积分运算电路的输出电压Uo将线性下降;而当U-U时，U将线性01z01=Z0上升;波形如图2.1.6所示。 图2.1.6波形分析 而在占空比调整上的设计有下列两种思路: 1、频率(周期)不变，脉宽改变，其方法如下: 改变电平的幅度，亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达到改变脉宽而频率不变的特性，但其最主要的缺点是占空比一般无法调到20%以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动， 11 如果要将此信号用来作模数(A/D)转换，那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。 2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下: 将方波产生电路比较器的参考幅度予以固定(正、负可利用电路予以切换)，改变充放电斜率，即可达成。 这种方式的设计一般使用者的反应是“难调”，这是大缺点，但它可以产生10%以下的占空比却是在采样时的必备条件。 2.1.3.对照采用了两种积分电路 方案1:采用了低通产生三角波器电路图如下: 图2.1.7 方案2:采用了积分电路，电路图如下所示: 图2.1.8 就电路的设计而言，除应用转换器原理外，还可利用单独的波形发生电路，制作发生器。即以单个发生电路分别产生方波、三角波、正弦波、锯齿波，但由于此类方法对元器件消耗较大，并且在焊接上也相对比较麻烦。因此，本方案采 12 用的是，利用波形转换的原理设计函数信号发生器。 第三章 安装与测试 3.1 电路的安装 电路安装要注意几个原则: 1.先矮后高、先小后大、先放耐焊元器件等; 2. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用; 3. 最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现 过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停 留太久; 4(在焊接的时候要注意尽量少用导线连接电路，用焊锡丝连接电路，使作 品更为美观; 5.在布局上要合理的安排电路。 3.2 电路的调试 调试时应小心谨慎，电路安装完毕后，首先应检查电路的电源线和地线的走向，防止因为电源线或地线接错而导致烧坏芯片或者是电源等现象。然后接电调试。如果遇到问题，则应该根据产生的问题，加上对原理图的分析，首先找到可能出错的地方，在调试过程中先要接好线，特别是接电源线，一个是正15V，另一个是-15V，而且在接线时接地端要连接好，要连接在一起，在接正弦波产生电路时，我们可能需要通过调节滑动变阻器的阻值来改变输出信号的波形，在调节时要均匀的调，不能太快，容易失真，而且在检查电路时应尽量用万用表测量每一个支路是否导通或是有存在虚焊现象，在保证每一条支路导通的情况下，才能得到想要的结果。因为要是fo=1/2πRC，因此为我们在电路中将定值电阻换成了滑动变阻器。从而使得达到调节频率，及调节占空比的效果。 13 在各部分电路中，都连接有滑动变阻器，便于频率及对失真等状况的调节。特别在三角波转换部分，通过滑动变阻器对方波占空比的调节。则可在三角波的基础上，通过调节得到锯齿波。相对独立发生电路而言，这样更加简化了电路。 3.2 电路的分析 本电路是通过产生正弦波方波三角波三种波形转换而来的，由RC选频振荡产生正弦波，而正弦波通过过零比较器转换为方波，方波通过积分电路，最后产生三角波，前后频率保持一致，电路要产生2V的稳压方波，就需要2V的稳压管，同时在外面还要加上+15V和-15V 电源，从而保证有足够的电压，通过全过程的布局，实验出现的结果，产生了正弦波，出现了方波，三角波。根据分析原理，通过方波占空比的调节可得到锯齿波。但在我们制作的成品中，可能是由于滑动变阻器的调节范围有限，并且存在理论与实际的差距，未能够得到较良好的锯齿波。在以后的应用和设计当中，是个需要加以改进的方面。 结 论 本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求: 产生正弦波模块主要由RC选频振荡组成，由正弦波变方波，是通过一个过零比较器产生的，用了一个2V的稳压管，使其得到2V电压的方波。方波通低积分电路转换成三角波，最后由对方波占空比的调节，得到锯齿波。 此次课程设计采用的电路原理基于模拟电子电路的基本知识，模块化的设计理念是此次设计的亮点，通过滑动变阻器使作品调试现象十分直观。只是存在滑动变阻器调节不到位的情况，使得影响了实验结果，导致可能不出现波形或出现的波形失真情况。该波形转换的优点就像上述所说的是便于调节和元件简单，但缺点就是稳定性较差。 14 产生正弦波主要还是要选好电阻和电容，这样可以确定其周期，我们在本次课程设计实验中，成功的得到了正弦波、方波、三角波。但是，在锯齿波的发生上出现了些错误。 参考文献 [1] 童诗白.模拟电子技术基础(第五版)[M].北京:高等教育出版社，2005 [2] 谢自美.电子技术基础实验与课程设计[M].北京:电子工业出版社，2006 [4]沈精虎，电路设计与制板[M]，北京，人民邮电出版社，2007 [5]邱关源，罗先觉，电路[M]，北京，高等教育出版社。1999. 附录一 元器件清单 序号 元件 型号 数量 1 电阻 10K 5 2 电阻 1K 1 3 电阻 100K 1 4 滑动变阻器 1M 3 15 5 滑动变阻器 10K 1 6 稳压管 2V 2 7 1N4148 4 8 LM324 1 9 电容 0.1uF 2 10 电容 0.01uF 1 11 电路板 1 12 导线 若干 附录二 方案总原理图 信号发生器原理图1 16 17 信号发生器原理图2 LM324示意图 18 19