模电课程设计波形发生器资料.doc

1、一设计题目波形发生电路二设计任务和要求要求:设计并制作用分立元件和集成运算放大器组成的能产生方波三角波和正弦波的波形发生器指标:输出频率分别为:102HZ103HZ和104Hz;输出电压峰峰值VPP20V三原理电路设计:(1)方案的提出方案一:先由文氏桥振荡产生一个正弦波信号(右图)把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波把方波信号通过一个积分器转换成三角波方案二: 由比较器和积分器构成方波三角波产生电路(下图) 然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号方案三: 由比较器和积分器构成方波三角波产生电路(电路图与方案二相同) 用折线法把三角波转换成正弦波(下图)(2)方案的比

2、较与确定方案一:文氏桥的振荡原理:正反馈RC网络与反馈支路构成桥式反馈电路当R1=R2C1=C2即f=f0时,F=1/3Au=3然而,起振条件为Au略大于3实际操作时,如果要满足振荡条件R4/R3=2时,起振很慢如果R4/R3大于2时,正弦波信号顶部失真调试困难RC串并联选频电路的幅频特性不对称,且选择性较差因此放弃方案一方案二:把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统,就构成三角波发生器和方波发生器比较器输出的风波经积分可得到三角波三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波和方波发生器通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下使用

3、然而,指标要求输出频率分别为102HZ103HZ和104Hz因此不满足使用低通滤波的条件放弃方案二方案三:方波三角波发生器原理如同方案二比较三角波和正弦波的波形可以发现,在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程中,与三角波的差别越来越大;即零附近的差别最小,峰值附近差别最大因此,根据正弦波与三角波的差别,将三角波分成若干段,按不同的比例衰减,就可以得到近似与正弦波的折线化波形而且折线法不受频率范围的限制,便于集成化综合以上三种方案的优缺点,最终选择方案三来完成本次课程设计(3)单元电路设计viaR1VV+A1A2VEER2R3RP1VCCaC1R4RP2C2VCCVEER5vo2vo1此电路由反相输入

4、的滞回比较器和RC电路组成RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充放电实现输出状态的自动转换设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UtUo通过R3对电容C正向充电反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut随后,Uo又通过R3对电容C反向充电Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正相充电上述过程周而复始,电路产生了自激振荡运算发大

5、器A1与R1R2及R3RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可加速比较器的翻转运放的反相端接基准电压,即U-=0,同相输入端接输入电压Uia,R1称为平衡电阻比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压-Vee(|+Vcc|=|-Vee|), 当比较器的U+=U-=0时,比较器翻转,输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc设Uo1=+ Vcc,则将上式整理,得比较器翻转的下门限单位Uia_为若Uo1=,则比较器翻转的上门限电位Uia+为比较器的门限宽度:由以上公式可得比较器的电压传输特性运放A2与R4RP2C2及R5组成反相积分器,其输

6、入信号为方波Uo1,则积分器的输出Uo2为:时,时,可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波,其波形关系比较器与积分器形成闭环电路,则自动产生方波-三角波三角波的幅度为:方波-三角波的频率f为:运算放大器U5A与R17R15构成一个放大系数为10的反相比例运算放大电路通过反相放大而达到峰峰值大于20V运算放大U4B构成三角波转换正弦波的三段折线法当三角波幅值为0-0.28V时,反馈电阻为R8=27K当三角波幅值增大到0.28到0.84V之间时反馈电阻为R8/R16=11K当三角波幅值大于0.84V时,反馈电阻为R8/R16/R7=80因此,通过电容C3的隔直与电位器R

7、11的分压,选择幅值约为1.2V左右的三角波输入运算放大器U4B,再由三段折线法转换成近似与正弦波的折线化波形(由计算机计算分析表明,三段折线法的折线化波形与正弦波相似95%)由仿真软件得输出正弦波幅值约为1.25V最后,运算放大U3A为反相比例运算放大由折线法转换得来的正弦波经过运算放大U3A的反相放大得到峰值为10.5V左右的正弦波(4)元件选择:选择集成运算放大器由于方波前后沿与用作开关的器件U1A的转换速率SR有关,因此当输出方波的重复频率较高时,集成运算放大器A1应选用高速运算放大器集成运算放大器U2B的选择:积分运算电路的积分误差除了与积分电容的质 量有关外,主要事集成放大器参数非

8、理想所致因此为了减小积分误差,应选用输入失调参数(VI0Ii0Vi0/TIi0/T)小,开环增益高输入电阻高,开环带较宽的运算放大器反相比例运算放大器要求放大不失真因此选择信噪比低,转换速率SR高的运算放大器经过芯片资料的查询,TL082双运算放大转换速率SR=14V/us符合方波产生电路而U2B选择通用型的LM741.两个反相比例运算放大选择号称“音响之皇”的NE5532低噪运算放大器该双运算放大转换速率SR=9V/us选择稳压二极管稳压二极管Dz的作用是限制和确定方波的幅度,因此要根据设计所要求的方波幅度来选稳压管电压Dz为了得到对称的方波输出,通常应选用高精度的双向稳压管电阻为1/4W的

9、金属薄膜电阻电容为普通瓷片电容与电解电容开关为自锁式单刀三掷开关四电路调试过程与结果:波形频率:通过精确电位器R5R19R20使得三种波形频率连续可调因此频率100100010000Hz都正确无误通过实际电路测试,波形在50-24000Hz频率范围内不失真波形峰峰值:波形理论值/V实测值/V方波25.11424.3三角波26.77328.2正弦波26.59924.4理论设计数据方波峰峰值 实测方波峰峰值理论设计数据三角波峰峰值: 实测三角波峰峰值:理论设计数据正弦波峰峰值: 实测正弦波峰峰值:误差分析a.电阻的误差为5%,这是造成误差主要原因b.仿真所加电压18V,实测时芯片所加电压为16Vc

10、.示波器读数时的误差五总结优点:设计作品输出波形基本不失真 波形频率达到100100010000Hz并且在100-10000Hz的范围内连续可调 波形峰峰值皆大于20V符合了设计要求的全部指标 焊接板排版缜密,焊接没有跳线缺点:方波在频率为10000Hz时峰峰值转换时差为5-6us导致方波出现了失真 正弦波由折线法把三角波折线而来导致了其还存在一定的差别 电路的电源输入由于没有保护电路在调试时正负电源接反而把芯片烧了针对3个缺点各自的改进方案: 缺点1:把方波产生电路的运算放大换成超高转速的集成运算放大器例如:LM318H 缺点2:本设计是由三段折线法把三角波转换成正弦波的为使产生的折线化波形

11、更加接近正弦波,可以用4段折线法或者5段甚至6段 缺点3:在电源接入端加上二极管保护电路(右图),这样即可以保证正负电源接反时不导通,又可以在把直流电源电错接成交流电时起整流桥的作用电路以后可改进方案: 通过以下电路(修改反馈电阻),实现方波占空比可调通过以下电路实现三角波锯齿波产生电路六心得体会:“失败乃成功之母”从一开始时的调试到最后完成课程设计我焊接拆除重复接近了10次在这10次的过程中我明白了成功是建立在以前失败经验的基础上的还有,做啥事都不能半途而废用永不放弃的精神在自己选择的道路上坚持走下去,成功就离我不远啦!在这次设计过程中,体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力,体会了

12、学以致用并且从设计中发现自己平时学习的不足和薄弱环节,从而加以弥补同时,这次模拟电子课程设计也让我认识到以前所学知识的不深入,基础不够扎实,以致于这次在设计电路图的时候,需要重复翻阅课本的知识我深深知道了知识连贯运用的重要性七主要参考书目:1童诗白华成英,模拟电子技术基础2吴慎山,电子技术基础实验3周誉昌蒋力立,电工电子技术实验4广东工业大学实验教学部,Multisim电路与电子技术仿真实验八附录:完整的电路图完整物品清单元件类型元件序号元件型号数量元件类型元件序号元件型号数量集成运放U15TL082CN1金属膜电阻6U34NE55321R2100K1U2LM7411R42401稳压管D1D21N47422R1410K1二极管D3-81N41486R1551K1电解电容C350V1R1624K1瓷片电容C11041R827K1精密电位器R5R115K2R97.5K1R1950K1R71001R20500K1R1233K1开关单刀三掷自锁型1R13175.1K2主要芯片基本参数TL082CN NE5532SymbolTypUnitVio3mVIio5pAIib20pAAvd200V/mVSVR86dBICC1.4mACMR 86d