三角波、方波、正弦波发生电路

...wd......wd......wd...波形发生电路要求：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：102HZ、103HZ和104Hz；方波的输出电压峰峰值VPP≥20V〔1〕方案的提出方案一：1、由文氏桥振荡产生一个正弦波信号。2、把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比拟器从而把正弦波转换成方波。3、把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。方案二：1、由滞回比拟器和积分器构成方波三角波产生电路。2、然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。方案三：1、由比拟器和积分器构成方波三角波产生电路。2、用折线法把三角波转换成正弦波。〔2〕方案的比拟与确定方案一：文氏桥的振荡原理：正反响RC网络与反响支路构成桥式反响电路。当R1=R2、C1=C2。即f=f0时，F=1/3、Au=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：把滞回比拟器和积分比拟器首尾相接形成正反响闭环系统，就构成三角波发生器和方波发生器。比拟器输出的方波经积分可得到三角波、三角波又触发比拟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。然而，指标要求输出频率分别为102HZ、103HZ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。比拟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，与三角波的差异越来越大;即零附近的差异最小,峰值附近差异最大。因此，根据正弦波与三角波的差异，将三角波分成假设干段，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。综合以上三种方案的优缺点，最终选择方案三来完本钱次课程设计。〔3〕工作原理：1、方波、三角波发生电路原理该电路由滞回比拟器和积分器组成。图中滞回比拟器的输出电压，它的输入电压就是积分电路的输出电压u02。则U1A的同相输入端的电位：,令up=un=0，则阀值电压：；积分电路的输入电压是滞回比拟器的输出电压u01，而且不是+Uz，就是-Uz，所以输出电压的表达式为：；设初态时u01正好从-Uz跃变到+Uz，则：，积分电路反向积分，u02随时间的增长线性下降，一旦u02=-Ut，在稍减小，u01将从+Uz跃变为-Uz，使式变为：，积分电路正向积分，u02随时间增长线性增大，一旦u02=+Ut，再稍微增大，uo1将从-Uz跃变为+Uz，回到初态。电路重复上述过程，因而产生自激振荡。由上分析，u01是方波，且占空比为50%，幅值为；u02是三角波，幅值为。取正向积分过程，正向积分的起始值-Ut，终了值+Ut，积分时间为T/2，代入，得，式中，整理可得：。2、正弦波发生电路原理折线法是用多段直线逼近正弦波的一种方法。其根本思路是将三角波分成假设干段，分别按不同比例衰减，所获得的波形就近似为正弦波。以下列图画出了波形的1/4周期，用四段折线逼近正弦波的情况。图中UImax为输入三角波电压幅值。根据上述思路，可以采用增益自动调节的运算电路实现。利用二极管开关和电阻构成反响通路，随着输入电压的数值不同而改变电路的增益。在ωt=0°~25°段，输出的“正弦波〞用此段三角波近似〔二者重合〕，因此，此段放大电路的电压增益为1。由于ωt=25°时，标准正弦波的值为sin25°≈0.423，这里uO=uI=25/90UImax≈0.278UImax，所以，在ωt=90°时，输出的“正弦波〞的值应为uO=0.278/0.423UImax≈0.657UImax。在ωt=50°时，输入三角波的值为uI=50/90UImax≈0.556UImax，要求输出电压uO=0.657UImax×sin50°≈0.503UImax，可得在25°~50°段，电路的增益应为ΔuO/ΔuI=(0.503−0.278)/(0.556−0.278)=0.809。在ωt=70°时，输入三角波的值为uI=70/90UImax≈0.778UImax，要求输出电压uO=0.657UImax×sin70°≈0.617UImax，可得在50°~70°段，电路的增益应为ΔuO/ΔuI=(0617−0.503)/(0.778−0.556)=0.514。在ωt=90°时，输入三角波的值为uI=UImax，要求输出电压uO≈0.657UImax，可得在70°~90°段，电路的增益应为ΔuO/ΔuI=(0.657−0.617)/(1−0.778)=0.180。下页图所示是实现上述思路的反相放大电路。图中二极管D3～D5及相应的电阻用于调节输出电压u03>0时的增益，二极管D6～D8及相应的电阻用于调节输出电压u03<0时的增益。电路的工作原理分析如下。当输入电压uI<0.278UImax时，增益为1，要求图中所有二极管均不导通，所以反响电阻Rf=R11。据此可以选定Rf=R11=R6的阻值均为1kΩ。当ωt=25°~50°时，电压增益为0.809，要求D1导通，则应满足:，解出R13=4.236kΩ。由于在ωt=25°这一点，D1开场导通，所以，此时二极管D1正极电位应等于二极管的阈值电压Vth。由图可得:,式中u03是ωt=25°时输出电压的值，即为0.278UImax。取UImax=10V，Uth=0.7V，则有解出R14=31.97kΩ。电阻取标准值，则R13=4.22kΩ，R14=31.6kΩ。其余分析如上。需要说明，为使各二极管能够工作在开关状态，对输入三角波的幅度有一定的要求，如果输入三角波的幅度过小，输出电压的值缺乏以使各二极管依次导通，电路将无法正常工作，所以上述电路采用比列可调节的比例运算电路〔U3A模块〕将输出的三角波的幅值调至。〔4〕元件选择：①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理想所致。因此为了减小积分误差，应选用输入失调参数〔VI0、Ii0、△Vi0/△T、△Ii0/△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。符合各项指标要求。②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③电阻为1/4W的金属薄膜电阻，电位器为精细电位器。④电容为普通瓷片电容与电解电容。〔5〕仿真与调试按如下电路图连接连接完成后仿真，仿真组图如下仿真完成后开场焊接电路，焊接完成后开场调试，调试组图如下：。〔5〕总结该设计完全满足指标要求。第一：下限频率较高：70hz。原因分析：电位器最大阻值和相关电阻阻值的参数不准确。改良：用阻值精细电位器和电阻。第二：正弦波在10000HZ时，波形已变坏。原因分析：折线法中各电阻阻值不精准,TL082CD不满足参数要求。改良:采用精准电阻,用NE5532代替TL082CD。.〔6〕心得体会“失败乃成功之母〞。从始时的调试到最后完成课程设计经历了屡次失败。不能半途而废，永不放弃的精神在自己选择的道路上坚持走下去！在这次设计过程中，表达出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用。并且从设计中发现自己平时学习的缺乏和薄弱环节，从而加以弥补。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，根基不够扎实，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。〔7〕参考书目：1、童诗白、华成英，《模拟电子技术根基》2、吴慎山，《电子技术根基实验》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》〔8〕元件清单元件类型元件序号元件型号数量集成运放U1A、U2B、U3A、U4BTL082CD2稳压管D1D21N4742A2二极管