多功能锯齿波.doc

1 中北大学中北大学 课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书 学 院 信息与通信工程学院 专 业 电子信息工程 题 目 信号与系统的分析与处理部分 多功能锯齿波发生器的设计多功能锯齿波发生器的设计 指导教师 指导教师 职称职称 高级工程师高级工程师 2009 年 12 月 28 日 张并生 2 中北大学 课程设计任务书 09 10 学年第 一 学期 学 院 信息与通信工程学院 专 业 电子信息工程 课程设计题目 信号与系统的分析与处理部分 多功能锯齿波发生器的设计多功能锯齿波发生器的设计 起 迄 日 期 2009 年 12 月 28 日 2010 年 元 月 15 日 课程设计地点 05013 室 指 导 教 师 张并生 系 主 任 程耀瑜 下达任务书日期 2009 年 12 月 28 日 3 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 1 设计目的 通过对多功能波型发生器的设计 加深对电子技术 测试测量技术理 论的认识 为毕业设计打下良好基础 2 设计内容和要求 包括原始数据 技术参数 条件 设计要求等 设计内容 用积分器和模拟电压比较器实现锯齿波 通过电子开关 或用手动控 制 实现对电路的工作方式控制 功能与主要技术指标 在控制开关的作用下 能实现单周期扫描 间歇扫描 连续扫 描和停止扫描控制功能 具有输出幅度调节 直流偏置调节和扫描周期调节功能 输出电压幅度在 10V 的范围内可调 线性度优于 0 01 要求主要选用集成运放实现 3 设计工作任务及工作量的要求 包括课程设计计算说明书 论文 图纸 实物样品等 1 查阅相关资料 2 提出具体方案 3 递交课程设计说明书 印刷稿 电子稿各一份 4 课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 4 主要参考文献 1 毕满清 电子技术 实验与课程设计 2 版 机械工业出版社 2001 2 清华大学电子学教研组工程大学 模拟电子技术基础 2 版 高等教育出版 社 1995 3 华中理工大学电子学教研室 陈大钦 杨华 模拟电子技术基础 2 版 高等教育出版社 2000 4 李万臣 谢红 模拟电子技术基础实验与课程设计 哈尔滨工程大学出版社 2001 5 付家才 电工电子实践教程 北京 化学业出版社 2003 5 设计成果形式及要求 课程设计说明书一份 仿真结果 6 工作计划及进度 2009 年 12 月 28 日 2010 年 01 月 02 日 查资料 在指导教师指导下完成设计方案 2010 年 01 月 03 日 2010 年 01 月 06 日 学生完成实验 指导教师辅导 2010 年 01 月 07 日 2010 年 01 月 13 日 完成课程设计说明书 2010 年 01 月 14 日 答辩或成绩考核 系主任审查意见 签字 5 年 月 日 设计说明书应包括以下主要内容 1 封面 课程设计题目 班级 姓名 指导教师 时间 2 设计任务书 3 目录 4 设计方案简介 5 设计条件及主要参数表 6 设计主要参数计算 7 设计结果 8 设计评述 设计者对本设计的评述及通过设计的收获体会 9 参考文献 6 目录目录 摘要 7 1 引言 7 2 锯齿波电路设计 7 2 1 锯齿波发生器原理 7 2 2 器件与单元电路介绍 7 2 3 锯齿波发生器整体电路 10 3 电路仿真 12 3 1 multisim9 仿真软件介绍 12 3 2 锯齿波发生器整体电路的仿真 14 4 设计心得 15 5 参考文 献 15 7 多功能锯齿波发生器的设计多功能锯齿波发生器的设计 摘要 摘要 锯齿波是常用的基本测试信号 在无线电通信 测量 自动化控制等技术领 域广泛地应用着 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 因此锯齿波发生器是学习 科学研 究等方面不可缺少的工具 在三角波发生器的基础上 改变积分电路的充放电时间 从而 便可以得到锯齿波发生器 本论文设计了一款锯齿波发生器 它信号参数可调 且电路结 构简单 性能较好 关键字 关键字 锯齿波发生器 运算放大器 EDA Multisim 9 1 1 引言引言 在日常生活中 以及一些科学研究中 常常会应用到锯齿波发生器 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匀速搜索荧光屏 而电视机中显像管荧光屏上的 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 本电路中锯齿波发生器 主要是用集成运算放大器实现的 它具有结构简单 调试方便等特点 2 2 锯齿波电路设计锯齿波电路设计 本论文中 锯齿波发生器是运用相关器件组合而产生的电路 其中一个非常重要的部 件就是集成运算放大器 以及由集成运算放大器组成的滞回比较器 积分器 用集成运放 实现的电路结构简单 调整方便 2 12 1 锯齿波发生器的原理锯齿波发生器的原理 如果在三角波发生电路中 有意识地使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊 则在积分 电路的输出端即可得到锯齿波信号 要实现幅度可调 则需将控制输出电压幅度的相应参数 设置成可调参数即可 8 图 2 1 锯齿波发生器组成框图 2 22 2 器件与单元电路的介绍器件与单元电路的介绍 2 2 12 2 1 集成运算放大器集成运算放大器 图 1 是集成运放的符号图 1 2 端是信号输入端 3 4 是工作电压端 5 是输出端 在实际中还有调零端 频率补偿端和偏置端等辅助端 集成运算放大器的输入级通常由差 分放大电路组成 因此一般具有两个输入端以及一个输出端 图中标有 号的是同相 输入端 标有 号的是反相输入端 当信号从同相端输入时 输出信号和输入信号同 相 反之则反相 当集成运放工作在线性区时 它的输入信号电压和输出信号电压的关系 是 1 od o np A U UU 式中是运放器的放大倍数 是非常大的 可达几十万倍 这是运算放大器和 od A od A 差分放大器的区别 而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高 一般达几百千欧 到几兆欧 因此在实际应用中 常常把集成运放器看成是一个 理想运算放大器 理想运算放大器的两个重要指标为 1 差模输入阻抗为 2 开环差模电压增益Aod 为 根据这两项指标可知 当理想运算放大器工作在线性区时 因为其输入阻抗为 因 此在其两个输入端均没有电流 即在图 1 中 如同两点被断开一样 这种现象0 21 II 称为 虚断 又因为 根据输入和输出端的关系 所以认为运放的同相 od A od o np A U UU 输入端与反相输入端两点的电压相等 如同将该两点短路一样 这种现象成为 虚短 虚短 和 虚断 是理想运放工作在线性区时的两个重要结论 常常作为分析许多 运放电路的出发点 当理想运放工作在非线性区时 则 虚短 现象不复存在 9 图 1 集成运算放大器 2 2 22 2 2 滞回比较器滞回比较器 滞回比较器具有电路简单 灵敏度高等优点 在比较电路当中 如果输入电压受到干 扰或噪声的影响 在门限电平上下波动 则输出电压将在高 低两个电平之间反复地跳变 如在控制系统中发生这种情况 将对执行机构产生不利的影响 滞回比较器则克服了单限 比较器的这种缺陷 滞回比较器又名施密特触发器 其电路如图 2 所示 图 2 滞回比较器电路原理图 输入电压 Ui经电阻加在集成运放的反相输入端 参考电压 Uref经电阻接在同相 2 R 1 R 输入端 此外从输出端通过电阻 Rf引回同相输入端 电阻和背靠背稳压管 VDz的作用 3 R 是限幅 将输出电压的幅度限制在Uz 在本电路中 当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等 即时 输出 UU 端的状态将发生跳变 其中 U 则由参考电压 Uref及输出电压 Uo二者共同决定 而 Uo有两 种可能的状态 Uz或 Uz 由此可见 这种比较器有两个不同的门限电平 故传输特性呈 滞回形状 如图 3 所示 10 图 3 滞回比较器的传输特性 下面对此电路进行定性的分析 利用叠加原理可求得同相输入端的电位为 o f2 2 ref f2 f U RR R U RR R U 2 若原先 Uo Uz 当 Ui逐渐增大时 使 Uo从 Uz跳变为 Uz所需的门限电平用 UT 表示 由上式可知 3 z f2 2 ref f2 f T U RR R U RR R U 若原先 Uo Uz 当 Ui逐渐减小 使 Uo从 Uz跳变为 Uz所需的门限电平用 UT 表示 则 4 z f2 2 ref f2 f T U RR R U RR R U 上述两个门限电平之差成为门限宽度 用符号表示 由以上两式可求得 T U 5 z f2 2 TTT U RR 2R UUU 由此可见 门限宽度的值取决于稳压管的稳定电压 Uz以及电阻和的值 T U 2 R f R 但与参考电压 Uref无关 也就是说 当 Uref增大或减小时 滞回比较器的传输特性将平行 地右移或左移 但滞回曲线的宽度将保持不变 说明滞回比较器的抗干扰能力强 当输入 信号受干扰或噪声的影响而上下波动时 只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两 个门限电平 UT 和 UT 的值 就可以避免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变 2 2 32 2 3 积分电路积分电路 积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路 它是组成模拟计算机的基本单元 可以实现对微分方程的模拟 同时 积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元 利 用其充放电过程可以实现延时 定时以及各种波形的产生 电路组成如图 4 根据理想运放工作在线型区时 虚短 和 虚断 的特点可知 电 路的输出电压 Uo与电容两端的电压 Uc成正比 而电路的输入电压 Ui与流过电容的电流 ic 成正比 即 Uo与 Ui之间成为积分运算关系 11 图 4 积分电路 由于集成运放的反相输入端 虚地 故可见输出电压与电容两端电压成正 co UU 比 又由于 虚断 运方反相输入端的电流为零 则 故即输入电 c ii RiiRU ci 1 压与流过电容的电流成正比 由以上几个表达式可得 6 dtU 1 dti C 1 UU icco RC 由此可知 当输入电压为矩形波时 通过积分换算 输出电压即可转变为三角波 2 32 3 锯齿波发生器整体电路锯齿波发生器整体电路 2 3 12 3 1 电路组成电路组成 图 5 所示为一个锯齿波发生电路 图中集成运放 A1组成滞回比较器 二极管 VD1 VD2和电位器 Rw 使积分电路的充放电回路分开 故 A2组成充放电时间常数不等 的积分电路 调节电位器 Rw滑动端的位置 使 Rw1远小于 Rw2 则电容放电的时间常数将 比充电的时间常数小得多 于是放电过程很快 而充电过程很慢 即可得锯齿波 滞回比 较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端 而积分电路输出的锯齿波又接到滞回比较 器的同相输入端 控制滞回比较器输出端的状态发生跳变 从而在 A2的输出端得到周期性 的锯齿波 12 图 5 锯齿波发生器整体电路 2 3 22 3 2 工作原理工作原理 假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平 而且假设积分电容上的初始电压为零 由 于 A1同相输入端的电压 U 同时与 Uo1和 Uo有关 根据叠加原理 可得 7 o 21 2 1o 21 1 U RR R U RR R U 则此时 U 也为高电平 但当时 积分电路的输出电压 Uo将随着时间往负方向 z1o UU 线性增长 U 随之减小 当减小至时 滞回比较器的输出端将发生跳变 使0 UU 同时 U 将跳变为一个负值 以后 积分电路的输出电压将随着时间往正方 z1o UU 向线性增长 U 也随之增大 当增大至时 滞回比较器的输出端再次发生跳0 UU 变 使 同时 U 也跳变为一个正值 然后重复以上过程 于是可得滞回比较器 z1o UU 的输出电压为矩形波 而由于积分电路的充放电时间不等 故积分电路输出电压 Uo 1o U 为锯齿波 如图 6 所示 13 图 6 锯齿波发生电路的波形图 由上图可知 当发生跳变时 锯齿波输出 Uo达到最大值 Uom 而发生跳变的 1o U 1o U 条件是 将条件 代入 7 式 可得 0 UU z1o UU 0 U 8 mo 21 2 z 21 1 U RR R U RR R 0 由此可解得锯齿波输出的幅度为 z 2 1 om U R R U 9 要使得幅度可调 由 9 式可知 改变参数即可 所以实际电路中采用滑动变 1 R 1 R 阻器 调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度 从而满足设计要求 3 3 电路仿真电路仿真 3 13 1 multisim9multisim9 仿真软件的介绍仿真软件的介绍 加拿大的 Interactive Image Technologies 公司 简称 IIT 公司 从 21 世纪 80 年代开 始陆续推出了 EWB5 0 Multisim2001 Multisim7 Multisim8 它们已经为电子工程师和 广大电子专业的师生所熟悉 并得到广泛应用 IIT 公司于 2005 年 12 月发布了最新电子 仿真软件 Multisim 9 它将以前推出的 EWB5 0 和 Multisim2001 版本功能大大提高 比如 EWB5 0 版本 在做电路仿真实验调用虚拟仪器时 一个品种每次只能调用一台 这是一 个很大的缺陷 又如 Multisim2001 版本 它的与实际元件相对应的现实性仿真元件模型只 有 6 种 而 Multisim9 版本增加到 10 种 Multisim2001 版本的虚拟仪器只有 11 种 而 Multisim9 版本增加到 17 种 特别象示波器这种最常用的电子仪器 Multisim2001 版本只 14 能提供双踪示波器 而 Multisim9 版本却能提供 4 踪示波器 这给诸如试做数字电路仿真 实验等需要同时观察多路波形提供了极大的方便 又比如 Multisim2001 版本只能提供 亮 与 灭 两种状态黑白指示灯 而 Multisim9 版本却能提供蓝 绿 红 黄 白 5 种颜色的 指示灯 使用起来更加方便和直观 总之 Multisim9 版本电子仿真软件是比较先进 功能 最强大的仿真软件 是仿真软件的佼佼者 当启用后 它的基本界面如图 7 所示 图 7 Multisim7 的基本界面 基本界面最上方是菜单栏 Menus 共 11 项 包括编辑 视图等 基本界面的左侧为 元件工具栏 其中 13 个元件库中分别放置同一类型的元件 左列从上到下分别是 电源库 Sources 基本元件库 Basic 二极管库 Diode 晶体管库 Transistor 模拟元件库 Analog TTL 器件库 TTL CMOS 器件库 CMOS 各种数字元件库 Miscellaneous Digital 等 基本界面右侧为仪表工具栏 该工具栏含有用来对电路工作状态进行测试的仪器仪表 从上到下分别为 数字万用表 MultiMate 函数信号发生器 Function Generator 瓦特表 Wattmeter 示波器 Oscilloscope 4 通道示波器 4 channel Oscilloscope 扫频仪 Bode Plotter 频率计 Frequency Counter 数字信号发生器 Word Generator 等 17 种测试的仪器 仪表 选择元器件可以点击基本界面左侧的元件工具栏 如果选择基本元件 可以单击左侧 元件工具栏 Basic 按钮 则将出现下列对话框 如图 8 所示 倘若选择滑动变阻器 单击 OK 按钮即可 15 图 8 操作界面的基本对话框 图 9 更改元件参数对话框 选择元件之后 若要对其进行相应的改动 双击选中的元件 通过对话框可以更改元 件的显示 若是虚拟元件还可以更改它的大小 如图 9 所示 3 2 锯齿波发生器整体电路的仿真锯齿波发生器整体电路的仿真 3 2 1 仿真仿真 幅度可调锯齿波发生电路包括两部分 一是由集成运算放大器组成的滞回比较器电路 二是由集成运算放大器组成的积分电路 它的主要元器件包括集成运算放大器 电容 电 阻 可调电位器 二极管 稳压管等 将滞回比较器的输出电压接在示波器通道 A 一端 16 积分电路的输出电压接在示波器的通道 B 一端 便可对电路进行仿真 得出仿真结果 图 10 锯齿波仿真图 图 12 仿真结果 为满足锯齿波 0 10v 幅度