锯齿波发生器

共15页第10页目录第1章摘要…………………2第2章基于运算放大器的锯齿波发生器设计……………22.1设计要求及分析…………………22.2电路设计…………22.3器件选择及介绍…………………32.4相关参数确定及计算……………7第3章基于运算放大器的锯齿波发生器性能测试………83.1实测电路和Multisim仿真实验结果……………83.2仿真结果分析……………………13第4章心得体会…………14参考文献……………………15第1章摘要本文介绍了一种基于运算放大器的锯齿波发生器的设计方案，简要的介绍了锯齿波发生器的工作原理与设计方案，并详细地介绍了该发生器的参数设计过程，通过multisim的仿真与测试，记录和分析了该发生器的工作特性与性能，给出了仿真数据。第2章基于运算放大器的锯齿波发生器设计2.1设计要求及分析本设计要求利用运算放大器产生最大幅值为2.5V，频率在100到1000HZ的锯齿波。可知以恒定速率对一个电容器充电，然后利用一个开关让电容器快速放电，就可以产生一个锯齿波。根据设计要求，电容的驱动电流应由放大器提供。最大幅值为2.5V，即电容充电至电压为2.5V时停止充电并快速放电，这个过程可由一个电压比较器的输出控制一个结型场效应管截止和关闭来实现。2.2电路设计设计电路如图1.1。图1.1电压控制锯齿波振荡器原理图由图可知电容的驱动电流由OA提供，而它是一个浮动负载V-I转换器。为使以正斜率直线上升，必须总是要求从求和节点流出，即。电压阈值由和确定。当电源接通，电压比较器的输入是和，这表明输出BJT处于饱和状态，且。当门电压处于这个低电位时，结型场效应管截止，电容C开始充电，线性上升。当达到阈值电压时，比较器输出的BJT截止，被电阻拉到地电位。由于由提供的正反馈作用，所以状态的改变是瞬时发生的，由于此时，结型场效应管开关关闭，快速放电，将降为0V。由于在从-15V到0V的变化过程中在其上累积电荷，比较器不能对在上的这一变化瞬时作出响应，有一短暂的持续时间（与成正比），确保C得以完全放电。经过这样一个短暂的时间后，回到，比较器输出的BJT重新截止，C再次重新充电，此后循环重复产生锯齿波。2.3器件选择及介绍一、运算放大器的选择对于OA的一种上佳选择是采用兼具低输入偏置电流与海的转换速率性能的FET输入级运算放大器。低输入偏置电流对于控制范围的低端十分关键，而优越的转换速率性能则对高端至关重要。通过查阅资料得知高阻型运算放大器符合上述要求。这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般（），偏置电流为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级，不紧输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大，所以调零是必不可少的。常见的集成器件有LF356、LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。由于LF356具有价格低廉、产品量大面广、其性能指标适合于一般性能使用等优点，因此本设计采用此运算放大器。其引脚顶视图如图1.2。图1.2LF356引脚顶视图由于集成运放的输入失调电压和输入失调电流的影响,当运算放大器组成的线性电路输入信号为零时,输出往往不等于零。为了提高电路的运算精度,要求对失调电压和失调电流造成的误差进行补偿,这就是运算放大器的调零。常用的调零方法有内部调零和外部调零,而对于没有内部调零端子的集成运放,要采用外部调零方法。由于LF356有外接调零端子，可按组件要求接入调零电位器，调零时，将输入端接地，细心调节，用直流电压表测量输出电压，使之为零。电压比较器的选择本设计需要的是单输入比较器，应查阅资料选择LM311。LM311是最早也是最常用的单输入比较器之一，它是晶体管结构，输出级是集电极开路结构，它具有失调电压平衡调节端(或用作选通端），并且具有连接负载多样性及输出电流可达50mA的特点。该器件可工作于单电源或双电源，输入失调电压典型值为2mV，输入失调电流典型值为1.7nA，输出偏置电流典型值为45nA,响应时间典型值为200ns，输入电压范围为—14.713.8V。其简化电路框图如图1.3。图1.3LM311简化电路框输入级是由pnp型射级跟随器和组成的，用它来驱动差分对。差分对的输出依次被对和对进一步放大后，形成了一个驱动输出的晶体管基极的单端电流。电路的工作过程如下，当时，电流由流向的基极，使它处于重度导通状态，饱和，可以用源电压来建模如图1.4（a）所示。一般源电压约为0.1V，所以，；当时，没有了基极激励，因此处于截止状态，可以用图1.4（b）的开路电路建模，由于的上拉作用，得，图1.4（a）“低输出”状态的等效电路图1.4（b）“高输出”状态的等效电路上述方程表明输出逻辑电平受用户的控制，本设计是令即接地，令。结型场效应管的选择结型场效应管作为电容C充放电的开关，应具有低泄露和低值，经查阅资料选择N沟道结型场效应管2N4391。结型场效应管的代表符号如图1.5所示。图1.5假设=0，当由零往负向增大时，在反偏电压作用下，两个PN结的耗尽层（即耗尽区）将加宽，使导电沟道变窄，沟道电阻增大。当进一步增大到某一定值时，两侧耗尽层在中间合拢，沟道全部被夹断，此时漏-源极间的电阻将趋于无穷大。当=0和=0时，随着的接入并逐渐增加，一方面沟道电场强度增大，有利于漏极电流增加；另一方面，有了，就在由源极经沟道到漏极组成的N型半导体区域中，产生了一个沿沟道的电位梯度。若源极为零电位，漏极电位为+，沟道区的电位差则从靠源端的零电位逐渐升高到靠近漏端的。由于N沟道的电位从源端到漏端是逐渐升高的，所以从源端到漏端的不同位置上，栅极与沟道之间的电位差是不相等的，离源极愈远，电位差愈大，加到该处PN结的反向电压也愈大，耗尽层也愈向N型半导体中心扩展，使靠近漏极处的导电沟道比靠近源极要窄，导电沟道呈楔形，但在较小时，导电沟道靠近漏端区域仍较宽，这时阻碍的因素是次要的，故漏极电流随升高几乎成正比地增大。本设计就是利用结型场效应管的这些特性作为一个开关实现对电容的充电和快速放电。2.4相关参数确定及计算根据阈值电压确定相关参数和确定了阈值为根据设计任务书可知运算放大器产生的最大幅值为2.5V，即,由公式可得。取，。根据频率范围确定相关参数以恒定的电流I驱动电容C，那么它将会以一个恒定的速率充电或放电，并且产生一个线性暂态或斜坡。设电容充（放电）达到一个给定的所需时间为，则可以用用一个易于记忆的关系来描述这个斜坡这样就可以将恒定的速率下变化的所需的时间估算为可求得充电时间。利用,和，为锯齿波频率，令，得到取时，所以上式可以化简为这就表明与控制电压成线性关系。则，取，代入数据得。根据设计任务书要求锯齿波的频率在100Hz到1000Hz之间，改变输入电压的值可使输出的锯齿波的频率在100Hz到1000Hz之间变化，经计算得的变化范围为0.05V到0.5V。取的值为。第3章基于运算放大器的锯齿波发生器性能测试3.1实测电路和Multisim仿真实验结果图2.1锯齿波发生器的实际仿真电路，参数如图中所示图2.1锯齿波发生器实测电路经图2.1仿真电路仿真可得，当输入电压在0.05V到0.5V之间发生变化时，由示波器所得输入电压控制仿真锯齿波形和脉冲波形如下图所示。通道A：X轴5ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴5ms/Div,Y轴10v/Div通道A：X轴5ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴5ms/Div,Y轴10v/Div图2.2.1为0.05V时仿真所得的锯齿波与脉冲波通道A：X轴5ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴5ms/Div,Y轴10v/Div通道A：X轴5ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴5ms/Div,Y轴10v/Div图2.2.2为0.1V时仿真所得的锯齿波与脉冲波通道A：X轴5ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴5ms/Div,Y轴10v/Div通道A：X轴5ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴5ms/Div,Y轴10v/Div图2.2.3为0.2V时仿真所得的锯齿波与脉冲波通道A：X轴2ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴2ms/Div,Y轴10v/Di图2.2.4通道A：X轴2ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴2ms/Div,Y轴10v/Di图2.2.4为0.3V时仿真所得的锯齿波与脉冲波图2.2.3为0.2V时仿真所得的锯齿波与脉冲波通道A：X轴2ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴2ms/Div,Y轴10v/Div图2.2.5通道A：X轴2ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴2ms/Div,Y轴10v/Div图2.2.5为0.4V时仿真所得的锯齿波与脉冲波通道A：X轴2ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴2ms/Div,Y轴10v/Div图通道A：X轴2ms/Div,Y轴2v/Div；通道B：X轴2ms/Div,Y轴10v/Div图2.2.6为0.5V时仿真所得的锯齿波与脉冲波通过记录仿真数据可得表1.1如下。表1.SEQ表\*ARABIC1锯齿波发生器数据记录表输入电压(v)0.050.10.20.30.40.5(v)2.5252.5322.5112.5152.5212.507(v)-14.894-14.892-14.888-14.895-14.894-14.868(ms)10.0755.0522.5011.6741.2561.007经计算可得，在输入不同电压时，所得各参数值见下表。表3.SEQ表\*ARABIC2锯齿波发生器数据理论值记录表输入电压(v)0.050.10.20.30.40.5(v)2.52.52.52.52.52.5(v)-15-15-15-15-15-15(ms)1052.51.6671.251由表3.1与3.2中值可得不同输入电压下不同频率的锯齿波，其频率值见表3.3。表SEQ表\*ARABIC3.3不同输入电压对应的频率值输入电压(v)0.050.10.20.30.40.5理论值(Hz)1002004006008001000仿真值(Hz)99.26197.94399.84597.38796.18993.05当改变电容的值，令其等于22nF时，检测和LM311输入端得电压波形，仿真电路如图2.3图2.3得到图2.4的波形图2.4锯齿波与电容充放电波形3.2仿真结果及误差分析由设计要求可知，设计所得的锯齿波发生器产生的锯齿波最大幅值为2.5V频率在100到1000Hz之内。结合仿真所得结果可知，实际仿真锯齿波最大幅值为2.525V，频率为99.26Hz到993.05Hz，比较仿真所得频率和理论频率，二者已十分接近，可以满足设计要求。分析图2.4可知随着值的增大而增大，确保了电容放电完全，使波形更清晰更规整，但此时的就不能忽略了而且还影响振荡器的高频精度；电容充放电的波形出现尖峰是由于瞬间改变而造成的。产生误差的原因有很多。对于运算放大器而言，输入端电压由于虚短的作用为零，但实际不为零，这就造成电容C开始充电之前就有一个微小的电压值；输入偏置电流，输入失调电压还有噪声对仿真结果也有一定影响。对于电压比较器，当输入级由变为，LM311N比较器需要一定的响应时间来对输入级的这一变化作出响应，反之亦然。即当Vst达到阈值电压后，比较器开始响应，不会立即变为零，电容C会继续充电，产生误差。对于电容，在电容C充电过程中也会有一定的电荷积累，需要放电时间，而且在变化时会出现尖峰，可能会影响锯齿波使之出现毛刺。在计算频率时将直接省略，会对频率造成一定的影响，通过对和的选择可使远小于，影响很小。另外电容C本身的自激震荡也会影响仿真波形。第四章心得体会一周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的理论知识还提高了我对专业知识综合运用和实践的能力以及独立思考和团队合作