正弦波-方波-三角波函数发生器

课程设计说明书课程设计名称：模电课程设计课程设计题目：设计一个产生正弦波-方波-三角波的函数转换器学院名称：信息工程学院专业：电子信息科学与技术班级：XXXXXX学号：XXXXXXXX姓名：XX评分：教师：XXX20年月日模拟电子技术课程设计任务书2011—2012学年第2学期第1周－2周题目产生正弦波-方波-三角波函数转换器内容及要求：正弦波频率范围为20HZ-20KHZ，且连续可调；正弦波幅值为+2V;方波峰峰值为2V;三角波幅值为1V，切且占空比可调；进度安排第1周：周一至周三查资料，完成原理图设计及仿真；第1周：周四至第2周周四，完成系统的制作、调试；第2周：周五设计结果检查。学生姓名：指导时间：周一、周三、周四下午指导地点：E楼601室任务下达2012年2月13日任务完成2012年2月24日考核方式1.评阅□2.辩论□3.实际操作□4.其它□指导教师XXX系〔部〕主任XX摘要本设计方案采用正弦波，矩形波，三角波的顺序，依次生成相应符合要求的波形。正弦波发生模块分为频率控制局部和幅值控制局部。其中频率控制局部采用RC选频网络进行频率控制，同时借助运算放大器形成正反应回路，在电路内部发生自激振荡，产生根本正弦信号；控制局部由含根本运算放大器的闭环负反应系统幅值构成。矩形波发生模块借助正弦波发生模块的输出作为输入信号，利用比拟器产生方波信号；幅值调节功能由滑线变阻器完成。三角波产生电路由运算放大器构成的积分电路借助矩形波实现，通过改变积分数值改变三角波上升下降沿斜率。本方案中通过使用仿真软件Multisim对设计电路进行电气仿真，获得相应的波形信息，确认设计方案无误后在领取元器件，做好电路的排版在对电路进行焊接。目录前言······································4第一章、设计任务············································51.1设计方向及设计题目··································51.2设计任务及要求······································51.3课程设计安排········································5第二章、电路设计原理及单元模块······························62.1电路设计原理········································62.2单元模块············································7第三章、电路设计···········································113.1正弦波发生器参数设计·······························113.2正弦波-方波转换器参数设计··························123.3方波-三角波转换器参数设计··························123.4系统总电路·········································13第四章、电路调试···········································144.1正弦波发生器·······································144.2正弦波-方波转换器··································144.3方波-三角波转换器··································153.4系统总电路·········································15实验心得···················································16参考文献···················································17附录·······················································18前言在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。例如随着三角波，方波发生电路的迅速开展，用三角波，方波发生电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用三角波，方波发生电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。同时，作为根本频率信号的正弦信号在信号，系统分析中同样占有很重要的地位，因此研究相应的信号发生装置具有很高的实用价值。本课程设计旨在设计能够满足实际需求的波形发生装置，可以同时产生正弦波，矩形波和三角波，并且三种信号频率在20Hz-20kHz范围内连续可调，正弦波信号满足幅值为2V，正弦涉及三角波满足峰-峰值2V，并在一定范围内可调节。第一章、设计任务1.1设计方向及设计题目设计方向：波形发生器设计。设计题目：设计一个产生正弦波-方波-三角波的函数转换器。1.2设计要求1、输出波形频率范围为0.02KHz~20kHz且连续可调；2、正弦波幅值为±2V；3、方波幅值为2V；4、三角波峰-峰值为2V，占空比可调；1.3课程设计安排二月十二日下午于指导老师杨素华老师处确定分组并领取设计题目。二月十二日至二月十五日〔周一至周三〕同队友讨论设计题目，形成一个大概的设计方向，根据已有的想法查阅相关资料，形成完整的设计电路，并使用multisim仿真软件进行仿真，确定设计电路的可行性。二月十三日上午于杨老师处确定设计电路，并解答电路设计过程中所遇到的问题。确定设计电路后列好所需的元件清单，由班长统一领取元件。根据电路及已有元件对等实际条件对电路进行适当的修改, 比方实验室中无稳压对管可用两个稳压管代替。根据电路及元件对电路做好排版，做好焊接准备。根据从小到大的原那么对电路进行焊接。对焊接好的电路进行调试并检查问题，使电路可实现预期功能。二月二十二日检查设计作品并上交。二月二十二日至四月六日撰写课程设计报告，并与四月六日前上交。第二章、电路的设计原理及单元模块波形产生电路通常课采用多种不同电路形式和元器件后的所要求的波形信号输出。波形产生电路的关键局部是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。2.1电路的设计原理该波形发生器可分为三局部：正弦波发生器、正弦波-方波转换器、方波-三角波转换器。正弦波发生器可使用文氏桥式振荡器〔RC串-并联正弦波振荡器〕产生正弦波输出。其主要特点是采用RC串-并联网络作为选频和反应网络，其振荡频率f0=1/〔2∏RC〕，改变RC的数值，可得到不同频率的正弦波信号输出。正弦波-方波转换器可用集成运放构成电压比拟器，将正弦波信号变换成方波信号输出。方波-三角波转换器可用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波或锯齿波信号输出。该电路的优点是：发生信号的非线性失真小，缺点是：调试过程烦琐，所需元器件多，制作难度大，本钱较高．其原理方框图如下：正弦波发生电路正弦波发生电路方波形成电路三角波形成电路2.2单元模块正弦波发生器从结构上看，正弦波发生器〔即文氏桥振荡器〕由放大电路、选频网络、正反应网络和稳幅环节四个局部组成。根据模拟电路的根本知识可知，由于电路内部及外界环境中有各种各样的噪声信号，任何信号都有可能由放大网络的同相端输入网络，在正反应网络的作用下，各种频率、幅值的信号均被迅速放大，通过选频网络，只有特定频率的信号被振荡电路所保存，在一系列其他措施的作用下电路即可输出特定频率的正弦波形。RC桥式振荡电路的原理电路如上图所示。根本电路分为两个局部，由C1、R3与C2、R4,R构成的选频网络和由R2构成的放大网络局部。同时选频网络兼做正反应网络实现波形迅速放大。相应地，只要调整选频网络的R、C的取值可改变网络的输出频率。在这里需要做出特别说明的是由R1,D1,D2构成的稳幅网络。在电路起振初期，输出信号幅值不大，并不能使D1,D2两管导通，因此，此时要求(1+R1/R2)略大于2以保证网络有足够的放大系数，使电路尽快起振。当输出信号幅值足够大时，二极管交替导通，使得反应系数升高，放大系数下降，利用元件的非线性使反应系数恰好为2，从而将电路输出波形稳定在某一幅值，到达稳幅效果。正弦波-方波转换器原理图如下所示：本电路中，运算放大器u1b用作比拟器，正弦信号由反向端送入通过和同相端的基准电压比拟后放大输出。由于运放具有很高的开环增益，因此只要同相端和反相端具有很小的电势差就会放大器工作于线性区，近似输出正反电压极限值，也就是正反相供电电压值。根据课程所学的相关知识知，矩形波中含有丰富的谐波成分，而采用运算放大器等元器件构成的放大电路只对某一频段的波形具有不失真放大的功能，同时放大器对信号起到比例放大的作用，对于电压水平已经接近供电电压的信号无能为力，因此不宜用于对矩形波的调节，但对于电阻元件来讲，由于其对于任意频段的信号调节比例系数完全相同。因此，这里选择稳压对管与电阻的组合来保证矩形波的输出幅值为2V。3、方波-三角波转换器目前，三角波的产生方法最常用的就是RC积分法，本设计方案的根本思想也是对矩形波进行积分，实现三角波输出。此电路由反相输入的过零比拟器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反应网络，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,那么同相输入端电位Up=+UT。Uo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≥0,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又对电容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≤0,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。±UT=±R2∕(R6+RW)U02mT=2R6(R6+RW)C3∕R7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。比拟器的输出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|〕,当比拟器的U+=U-=0时，比拟器翻转，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。由以上公式可得比拟器的电压传输特性.当输入信号为方波Uo1，那么积分器的输出Uo3为Uo=+Uz,D5导通,D6截止，Uo3=-1/(R6C)Uz(t1-t0)+Uo(t0)Uo=-Uz,D6导通,D5截止,Uo3=1/(R6+Rw')Uz(t2-t1)+Uo(t1)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不相等的占空比可调的锯齿波.第三章、电路设计根据实验原理，我们根本上已经确定了设计电路，但为了到达实验要求，还需要设定各元件参数以及对电路进行局部的修改。3.1正弦波发生器参数设计放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反应的放大电路。正反应网络的反应电压Uf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看成电路放大电路，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有Au=Uo/Up=1+R1/R2即R1>=2R2R=R1R2/R1+R2且振荡产生正弦波频率f0=1/2πRc由于RC桥式振荡的振荡频率是由RC网络决定的，因此选择RC的值时，应把的振荡频率作为主要依据。同时，为了使选频网络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响，选择R时还应考虑R应该远远大于集成远放的输出电阻，并且要远远小于集成远放的输入电阻。根据条件，由fo=1/〔2πRC〕可以计算电容的值，实际应用时要选择稳定性好的电阻和电容。R1和R2的值可以由起振条件来确定，通常取R2=2.1R1，这样可以保证起振又不会使输出波形严重失真。因为0.02KHz<fo=1/2πRc<20KHz得79Ω<=R<=79KΩ。又因R12R2取R1=2.1R2。设计R要考虑失调电流及其漂移影响，应该取R=R1//R2。综合上述两个条件可以算出R1的值为2.1K，那么R2应为1K。实际应用时应当调节这两个电阻的值使其满足要求。3.2正弦波-方波转换器参数设计正弦波到方波的转换采用的是过零比拟器，从集成运放输出端的限幅电路可以知道U0=±R7/(R7+R8)Uz由幅值是两伏与及市产的情况，选所以选Uz=±6v的稳压管，如果选R7为1KΏ，那么R8的值约为10K。3.3方波-三角波转换器参数设计通过如上的原理分析(详见2.2方波-三角波转换器)，结合经济效益及工程实际，对参数进行选取，为使三角波的斜率有较宽的变化范围，选取10K的滑线变阻器及0.1μF的电容。3.4系统总电路由于实验室中使用的LM324芯片，而非单个的运放，故而系统总电路应该把正弦波发生器、正弦波-方波转换器、方波-三角波转换器三局部电路结合在LM324之上。元件清单：元件序号型号主要参数数量备注ALM3241R10KΏ3R1.8KΏ1R1KΏ6R104可调稳压管6V2R100KΏ2可调DIN40074C0.1ūF2第四章、电路的调试先对方波、三角波、锯齿波电路的静态工作点进行测试，即方波和锯齿波的幅值。然后对电路进行动态测试。主要是测试方波、锯齿波的振荡频率的调节范围。注意用示波器测量幅值必须把所有的微调都调到顺时针顶端。在测量数之前必须把波形先调好，只有在波形不失真的情况下才能测量参数，否那么所测数据没有任何意义。4.1正弦波发生器1.把LM324芯片插入面包板，注意布局，焊点焊接；2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器、稳压管的接法；3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。频率的调节：固定电容C不变，改变RC振荡电路中R的值，在三角波幅值符合要求时，输出波形频率发生改变，测量频率变化范围.4.2正弦波-方波转换器〔1〕.安装方波产生电路：1.选好所要用的LM324引脚；2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。(2)调试方波产生电路：1.接入电源后，用示波器进行观察；2.调节R，使方波的幅值满足指标要求；3.观察示波器，各指标到达要求后进行下一部按装。4.3方波-三角波转换器调试方法与方波相同。占空比调节：改变RW变中心滑头，就可以实现占空比可调。4.4系统调试电路焊接好之后，接上Vcc和Vdd，分别用示波器接在正弦波发生器、正弦波-方波转换器、方波-三角波转换器输出端，调节电路中的电位器，观察是否能够得到预想波形。实验心得为期两周的电子技术课程设计已接近尾声。在这两周中，从查找资料到完成设计报告的撰写，不仅让我对这个课题有了更深刻的认识，同时还让我对电子技术知识有了更进一步的理解；不仅更深入的了解电子技术领域的一些前沿的动态，同时