多功能锯齿波发生器的设计 (2)

1、课程设计说明书课程名称： 模拟电子技术课程设计 题 目： 多功能锯齿波发生器的设计 学生姓名： 专 业： 班 级： 学 号： 指导教师： 日 期： 年 月 日多功能锯齿波发生器的设计1、 设计任务与要求 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001%； 要求主要选用集成运放实现； 二总体方案设计提示 锯齿波可用积分器和模拟电压比较器实现，要实现对电路的工作方式控制可以通过电子开关，也可以用手动控制。电路的总体方案框图如下：输出电路锯齿波发生电路工作

2、方式控制电路直流电源三、方案设计与论证 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，如果电容的充放电（正反向积分）时间常数不相等，也就是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上升和下降的斜率就不一样，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。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。方案一：锯齿波发生器电路可以由集成函数发生器8038构成 方案二：锯齿波发生器电路也可以由555定时芯片构成的自举电路产生 方

3、案三：锯齿波可用积分器和模拟电压比较器实现，对电路的工作方式控制可以通过电子开关，也可以用手动控制。由于题目的要求，本设计采用的是集成运放构成的电路。四、单元电路设计与参数计算  1、 器件与单元电路的介绍 （一）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

4、信号电压和输出信号电压的关系是： （1）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输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短

5、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。图1 集成运算放大器（二）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

6、接在同相输入端，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。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： （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）若原先Uo=U

7、z，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）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： （5）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，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。（三）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

8、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。 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比。又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则，故即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得： （6）由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输

9、出电压即可转变为三角波。2、锯齿波发生器整体电路 （1）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。图5 锯齿波发生器整体电路（2）工作原理假设初始时刻滞

10、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）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，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为锯齿波。如图6所示： 图6 锯齿波发生电路

11、的波形图 要使得幅度可调，实际电路中采用滑动变阻器；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。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R1和R2设为电位器，则调整R1和R2、WR的阻值以及C的容量，可以改震荡周期。调整WR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1uf,&

12、#160; 稳压管稳压值为10V,电位器R1取500，R2取500，WR取15K，R4取10K，R5取5K,R6取20K，R7取10K。5、 总原理图及元器件清单（1） 总原理图（2） 锯齿波产生电路（3） 直流偏置电路同向求和电路中，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RP=R10/R11/R13  

13、经计算可得： +在此电路中，输入ui为上一级的的输出，ui1输入+15V，ui2输入-15V， （1）当R9、R13取10K，R10取5K，R11取5K时，经计算，可得u0为+10V；（2）当R9、R13取5K，R10取5K，R11取2.1K时，经计算，可得u0为-10V。 因此电路中可设R13=10K，电位器R10、R11取10K，R9取10K。（4）仿真图（5）元件清单元件序号型号及主要参数数量（个）110V/1.5W稳压管22二极管1N414823单运放LM31834电位器10k35电位器20k46500、100电阻各175 k电阻284通道示波器19开关110电容1F 1六、结论与心得为期一周的课程设计结束了，回想这一周，虽然我设计的多功能锯齿波发生器有一两个功能没有实现，但是我尽力了，所以自己感觉过的很充实。通过这次对多功能锯齿波发生器的设计，我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用