数字电路设计

1、苏州科技学院天平学院模拟电子技术课程设计报告课设名称 正弦波方波三角波信号发生器设计组 长 学号：11321061成绩：组 员 学号：11321061成绩：组 员 学号：11321061成绩：组 员 学号：11321061成绩：专 业 电子信息工程(物联网) 指导教师 胡 伏 原 二一三年七月模拟电子技术课程设计报告一设计课题名称正弦波方波三角波信号发生器设计二课程设计目的、要求与技术指标2.1课程设计目的（1） 巩固所学的相关理论知识；（2） 实践所掌握的电子制作技能；（3） 会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试，进一步完善理论设计；（4） 通过查阅手册和文献资料，熟悉常用电子

2、器件的类型和特性,并掌握合理选用元器件的原则；（5） 掌握模拟电路的安装测量与调试的基本技能,熟悉电子仪器的正确使用方法,能力分析实验中出现的正常或不正常现象(或数据)独立解决调试中所发生的问题；（6） 学会撰写课程设计报告；（7） 培养实事求是,严谨的工作态度和严肃的工作作风；（8） 完成一个实际的电子产品，提高分析问题、解决问题的能力。2.2课程设计要求（1） 根据技术指标要求及实验室条件设计出电路图，分析工作原理，计算元件参数；（2） 列出所有元器件清单；（3） 仿真设计的电路，达到设计要求；（4） 记录实验结果。2.3技术指标（1） 输出波形：方波三角波正弦波；（2） 频率范围：100

3、HZ200HZ连续可调；（3） 输出电压：正弦波-方波的输出信号幅值为6V.三角波输出信号幅值为02V连续可调；（4） 正弦波失真度：。三系统知识介绍3.1 函数发生器原理函数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8038）。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与晶体管差分放大器共同组成的方波-三角波-正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、方波、三角波的方案

4、有很多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波-方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。3.2 函数发生器的各方案比较方案一：首先产生方波三角波，再将方波变成正弦波或将三角波变成正弦波。 由比较器和积分器组成方波-三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可以将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。方案二：首

5、先产生正弦波，再将正弦波变成方波，再将方波变成三角波。利用RC电路完成相应的三种波形的转换，具有一定频率的方法转换得到相应的正弦和三角！但对三角波和正弦波的失真率不能有充分的保证！幅值也不能达到相应的标准。后面接一个负反馈放大电路，使得三角波幅值可调，通过改变滑动变阻器。四电路方案与系统、参数设计4.1 基于集成运算放大器与晶体管差分放大器的函数发生器4.1.1设计思路本课题中函数发生器电路组成框图如下所示图（1）方波 图（2）三角波 图（3）正弦波比较器积分器差分放大器 图（4）模型图 图（5）电压比较器 单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。单门电压比较器，当中

6、含有噪声或干扰电压时，由于在附近出现干扰，将时而为，时而为，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是使用迟滞比较器。积分器：积分器就是能将输入信号进行积分运算的元件。设输入信号为x（t），那么通过积分器后，输出信号为y（t）=x(t)dt设系统初始状态为0，将输出信号进行laplace变换Y（s）=X（s）/s，因此在复频域内，积分器的单位冲激响应为H（s）=1/s。在物理实现过程中，用到了积分电路来实现，其中反馈回路里包含积分元件电容，它是对流经它的电流进行积分差分放大器：能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也

7、称差动放大器。这是一种零点漂移很小的直接耦合放大器，常用于直流放大。它可以是平衡（术语“平衡”意味着差分）输入和输出，也可以是单端（非平衡）输入和输出，常用来实现平衡与不平衡电路的相互转换，是各种集成电路的一种基本单元。 图（6）积分器 图（7）差分放大器 4.1.2工作原理由比较器和积分器组成方波-三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波，波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

8、4.1.3元器件与参数设计元器件：741芯片：运算放大器，用于扩大输入信号的范围电阻、滑动变阻：20k、10k、5.1k电容：100nfBJT：用于构成差分放大器二极管：整流、稳压参数计算：1、 从电路的设计过程来看电路分为三部分：方波部分三角波部分三角波部分正弦波部分2、 方波部分与三角波部分参数的确定由，可见f与c成反比，若要得到100Hz200Hz，C为0.1F。3、 正弦波方波部分比较器A1与积分器A2的元件计算如下：，;=10K,则（)=20K,取=10K，RP1为47K的电位器，取平衡电阻R1=R2/（R3+RP1）=7K，由式,即,当100Hz<f<200Hz时，取=

9、0.1F，取平衡电阻。, 由输出的三角波幅值与方波的幅值分别为2V，6V,有取，三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容、要取得较大，因为输出频率很低，取F，滤波电路视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，可取得较小，一般为几十皮法至0.1微法。4.1.4 具体仿真电路图方波三角波发生电路 图（8）方波三角波发生电路图（9）方波三角波发生电路仿真波形图差分放大电路： 图（10）差分放大电路总电路图： 图（11）基于集成运算放大器与晶体管差分放大器4.1.5仿真结果与分析 实验的仿真时基于运算放大器与晶体管差分放大器进行的。实验通过两个运算放大器，构成了一个方波-三角波信号发生器，再通过4

10、个BJT构成的差分放大器输出正弦波。 图（12） R14=50 % R2= 50% R9=50%的波形图图（13）R14=100% R2=100% R9=60%的波形图 通过仿真，我们得到了正确的仿真结果，输出了三角波、方波、正弦波。通过改变滑动变阻器的阻值，可以使输出波形的振幅和频率进行一定的调整。由图可以看出，方波信号有一些小的失真。可能是运放或者线路中的一些参数设置有些小的错误，引起了这些误差。4.1.6器件清单表表元器件清单表元器件名称个数型号主要参数741芯片3个IPC-2221A/2222电阻、滑动变阻10个、3个R20k、10k、5.1k电容3个C100nfBJT4个2N2712

11、二极管2个02DZ4.74.2 基于RC振荡电路的函数发生器4.2.1设计思路输出信号信号输出信号发生参数调整稳压电源由比较器和积分器组成正弦波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波。本课题中函数发生器电路组成框图如下所示： 单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。单门电压比较器，当中含有噪声或干扰电压时，由于在附近出现干扰，将时而为，时而为，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是使用迟滞比较器。 图（14） 电压比较器积分器：积分器就是能将输入信号进行积分运算的元件。设输入信号为

12、x（t），那么通过积分器后，输出信号为y（t）=x(t)dt设系统初始状态为0，将输出信号进行laplace变换Y（s）=X（s）/s，因此在复频域内，积分器的单位冲激响应为H（s）=1/s。在物理实现过程中，用到了积分电路来实现，其中反馈回路里包含积分元件电容，它是对流经它的电流进行积分。 图（15） 积分器4.2.2工作原理由比较器和积分器组成正弦波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波。4.2.3元器件与参数设计元器件：二极管：1N5758、1N4007GP电阻、滑动变阻：2k、10k、15k、20k、100k电容：10nf、30nf示波器：4通道741：运算放大器，用于扩大输入信

13、号的范围参数设计：1、正弦波方波三角波的频率在100hz20khz范围内连续可调；2、正弦波和方波的信号输出法度为6V，三角波的输出幅度在0-2V之间连续可调；正弦波波失真度r5%；3、其振荡频率为1kHz。若用同轴双联电位器代替电桥中的1.5k电阻，或用波段开关改变电容的数值，可以调节输出频率。电路的最高频率由运算放大器的频率特性决定，而低频端要求取较大的电阻值，所以要求运算放大器的输入阻抗尽可能高。稳压支路中串接了30k电阻，该支路接在680与3.9k电阻之间，主要是为了使放大器的增益变化不致太快。若使用击穿特性较软的稳压管。则可以减小失真。失真度可达0.5 (1.1.1)整理，可得 (1

14、.1.2)令，则 (1.1.3)幅频特性为 (1.1.5)相频特性为 (1.1.6) 根据式（1.4），因为当时，所以，即只要为RC串并联选项网络匹配一个电压放大倍数等于3的放大电路就可以构成正弦波振荡电路，不过考虑到起振条件，所选放大电路的电压放大倍数应略大于3.正反馈网络的反馈电压是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体堪称电压放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件4.2.4 具体仿真电路图正弦波发生电路：图（16） 正弦波发生电路 图(17)正弦波发生电路仿真波形比较器：图（18）比较器电路三角波产生积分电路： 图（19）三角波产生积分电路

15、总电路图： 图（20）RC振荡电路波形发生器4.2.5仿真结果与分析 实验的仿真时基于RC振荡电路进行的。实验通过比较器和积分器，构成了一个正弦波发生器，之后，经过一个比较器产生方波；再经过一个积分器，产生三角波信号。 图（21）R6=50% ，R13=70% 的波形图图（22）R6=100%，R13=100%的波形图 通过仿真，我们得到了正确的仿真结果，输出了正弦波、方波、三角波。通过改变滑动变阻器的阻值，可以使输出波形的振幅和频率进行一定的调整。由图可以看出，正弦波信号在滑动变阻器为100%时有一些小的失真。可能是运放或者线路中的一些参数设置有些小的错误，引起了这些误差，这是在失真范围内的

16、。4.2.6器件清单表表元器件清单表元器件名称个数型号主要参数二极管3个1N5758、1N4007GP电阻、滑动变阻8个、2个2k、10k、15k、20k、100k电容3个10nf、30nf7413个示波器1个4通道五实验结果与分析两种方案都可以出现正确的仿真结果图。但是第二种方案，在连线，器件的选用上似乎都比第一种方案要复杂。而且，第二种方案出现的失真也比较厉害。在第一种方案中，方波信号比较容易产生失真。而在第二种方案中，正弦波信号比较容易产生失真。六讨论1.第一种方案时，输出的正弦波总是一条直线，没有任何波形。解决方法：我们检查了整个电路，终于发现，原来是我们的差分放大电路的设计不正确。于

17、是我们修改连接布线，终于得到了正确的结果。2.第一种方案时，输出的方波失真非常厉害。解决方法：我们上网查找资料，终于发现原来是我们缺少了稳压管，导致电压不稳定，电流有失真。于是我们加了两个稳压管，终于使波形成了正确的样子。3.第二种方案时，一开始，输出的正弦波不成形。解决方法：检查电路，发现我们的二极管在连接时，方向反了，于是我们改变连线，终于得到了正确的结果。4.第二种方案时，我一开始，正弦波后面接的LM555CN来产生方波，但是在LM555CN后接上积分电路想使之出现三角波时，总是出不来图形。解决方法：我灵活应用，随机应变。把LM555CN改成了一个电压比较器电路，于是各个波形都正确的输出

18、了。七成员分工主要成员主要完成工作自评进行两种方案的设计仿真，负责资料的整理，进行报告的排版，撰写。优负责第二种方案线路图的连接。良负责第一种方案线路图的连接，辅助第二种方案线路图的连接。良负责打报告，画图，商量讨论协助。良八设计总结（1）我们小组顺利的完成了两种方案的设计和仿真，也都得到了满意的仿真结果图。在这次的设计过程中，由于时间仓促，所以一些原理都不太明白。但是，因为是一个小组一起做实验，所以大大减轻了我们的实验难度。我们小组也在本次实验中团结合作，互相协商，合作。虽然个人的发挥很重要，但是与他人的配合，不管是在学习上还是在以后的工作中都是非常重要的。所以我觉得本次设计我受益匪浅。不但学会了自己动手，还学会了与他人合作。（2）我们这次设计使用multisim仿真设计软件来做的。设计的主要内容是信号发生器，都用到了一些以前模电上学到的东西。于是，我有利用这次机会复习了一遍模电的