正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器.doc

1、 課程設(shè)計說明書課程設(shè)計名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計 課程設(shè)計題目：正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器 學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 通信工程 班級： 090421 學(xué)號： 09042134 姓名： 趙尚虎 評分： 教師： 20 11 年 3 月 16 日任務(wù)書題目3：設(shè)計制作一個產(chǎn)生正弦波方波鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器。設(shè)計任務(wù)和要求 輸出波形頻率范圍為0.02hz20khz且連續(xù)可調(diào)； 正弦波幅值為2v； 方波幅值為2v； 鋸齒波峰-峰值為2v，占空比可調(diào)；摘要 本次課程設(shè)計的目的是：應(yīng)用電路分析低頻等所學(xué)的知識設(shè)計一個正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)發(fā)生器。設(shè)計的正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)發(fā)生器是由正

2、弦波發(fā)生器、過零比較器、積分電路等三大部分組成。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，正弦波經(jīng)過過零比較器轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ǎ讲ń?jīng)過積分電路產(chǎn)生鋸齒波。 關(guān)鍵字：正弦波、方波、鋸齒波目錄第一章 設(shè)計目的及任務(wù) 1.1 課程設(shè)計的目的5 1.2 課程設(shè)計的任務(wù)與要求5 1.3 課程設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)5第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇2.1 方案提出62.2 方案論證和選擇6第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系統(tǒng)組成73.2 正弦波發(fā)生電路的工作原理7 3.3 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的工作原理8 3.4 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的工作原理9 3.5 總電路圖11第四章 單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇 4.1 正弦波發(fā)生電路的設(shè)計12

3、4.2 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的設(shè)計13 4.3 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的設(shè)計14第五章 實(shí)驗、調(diào)試及測試結(jié)果與分析5.1電路總體仿真圖如下所示175.2 調(diào)試方法與調(diào)試過程18第六章 結(jié)論21參考文獻(xiàn)23附錄（元器件清單）23第一章 設(shè)計的目的及任務(wù)11課程設(shè)計的目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計方法2掌握模擬器件的應(yīng)用3培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實(shí)踐的能力4掌握常用元器件的識別和測試5熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法 12課程設(shè)計任務(wù)與要求1.設(shè)計制作一個正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器2.能同時輸出一定頻率一定幅度的3種波形：正弦波、方波和鋸齒波3.可以用12v或15v直流穩(wěn)壓電源供電13 課程設(shè)

4、計的技術(shù)指標(biāo)1設(shè)計、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器2輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波3頻率范圍 ：在0.02hz-20khz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) 4輸出電壓：正弦波幅值+2v、方波幅值2v，鋸齒波峰峰值2v，占空比可調(diào)第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案選擇2.1 方案提出方案一：rc正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波鋸齒波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。先通過rc正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成鋸齒波。方案二：采用直接頻率合成器，從信號的幅度相位關(guān)系出發(fā)進(jìn)行頻率合成。2.2 方案論證和選擇方案一電路是通過rc正弦波振蕩電路，具有良好的正弦波，正弦波通過電壓比較器產(chǎn)生穩(wěn)定的方

5、波信號，方波信號經(jīng)過積分器產(chǎn)生鋸齒波，方案一的電路能通過改變門限電壓，改變方波的占空比，而且此方案可調(diào)節(jié)正弦波的幅值。電路簡單有效，精度較高，性價比高，易于制作，能應(yīng)用于各種波形仿真、實(shí)驗應(yīng)用等。方案二能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。相對而言，方案一較為合理有效，因此選擇方案一。第三章 系統(tǒng)組成及工作原理3.1 系統(tǒng)組成及設(shè)計框圖rc正弦波振蕩電路：確定選頻網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)還是并聯(lián)，用滑動變阻器代替電阻，以起到選頻的效果，反饋

6、部分用兩個并聯(lián)的二極管，起到穩(wěn)幅的作用，再加滑動變阻器，用以改變正弦波的幅度；電壓比較器：正弦波經(jīng)過電壓比較器變成方波，要改變方波的占空比就得改變其門限電壓，通過外加受滑動變阻器調(diào)節(jié)的電源來實(shí)現(xiàn)可調(diào)門限電壓；積分器：占空比調(diào)小后的方波經(jīng)過積分器即可得到鋸齒波。積分器鋸齒波電壓比 較電壓比 較自激振蕩產(chǎn)生正選波（rc正選波振蕩電路）圖13.2 正弦波發(fā)生電路的工作原理產(chǎn)生正弦振蕩的條件:正弦波產(chǎn)生電路的目的就是使電路產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般在放大電路中引入正反饋，并創(chuàng)造條件，使其產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩。正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu)是：引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)和放大電路。其中：接入正反饋是產(chǎn)生振蕩

7、的首要條件，它又被稱為相位條件；產(chǎn)生振蕩必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有選頻特性；同時它還應(yīng)具有穩(wěn)幅特性。因此，正弦波產(chǎn)生電路一般包括：放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路等四個部分。正弦波振蕩電路的組成判斷及分類：1）放大電路：保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實(shí)現(xiàn)自由控制。2）選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率，是電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩。3）正反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于其反饋信號。4）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用是輸出信號幅值穩(wěn)定。 判斷電路是否振蕩的方法是： （1）是否滿足相位條件，即

8、電路是否是正反饋，只有滿足相位條件才可能產(chǎn)生振蕩（2）放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無放大能力，靜態(tài)工作是否合適； （3）是否滿足幅度條件正弦波振蕩電路檢驗，若： (1) 則不可能振蕩； (2) 振蕩，但輸出波形明顯失真； (3) 產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后。此種情況起振容易，振蕩穩(wěn)定，輸出波形的失真小 分類： 按選頻網(wǎng)絡(luò)的元件類型，把正先振蕩電路分為：rc正弦波振蕩電路；lc正弦波振蕩電路；石英晶體正弦波振蕩電路。rc正弦波振蕩電路 常見的rc正弦波振蕩電路是rc串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在此作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)。它的起振條件為：。它的振蕩頻率為：f0=1/(2r

9、c)它主要用于低頻振蕩。要想產(chǎn)生更高頻率的正弦信號，一般采用lc正弦波振蕩電路。它的振蕩頻率為：f0=1/(2rc)。石英振蕩器的特點(diǎn)是其振蕩頻率特別穩(wěn)定，它常用于振蕩頻率高度穩(wěn)定的的場合。3.3 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的工作原理 在單限比較器中，輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源于輸入信號還是外部干擾。因此，雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。而滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因此也就具有一定的抗干擾能力。從反向輸入端輸人的滯回比較器電路如圖1a所示，滯回比較器電路中引人了正反饋。從集成運(yùn)放輸出端的限幅電路可以看出，uouz。集成運(yùn)放反相

10、輸人端電位upui同相輸入端電位圖2令un=up求出的ui就是閥值電壓輸出電壓在輸人電壓u，等于閥值電壓時是如何變化的呢？假設(shè)ui+ ut，那么un一定大于up，因而uo- uz，所以up- ut。只有當(dāng)輸人電壓ui減小到-ut，再減小一個無窮小量時，輸出電壓uo才會從- ut躍變?yōu)? ut?？梢姡瑄o從+ ut躍變?yōu)? ut和從- ut躍變?yōu)? ut的閥值電壓是不同的，電壓傳輸特性如圖b)所示。從電壓傳輸特性上可以看出，當(dāng)- utui+ ut時，uo可能是- ut，也可能是+ ut。如果ui是從小于-ut，的值逐漸增大到- ut ui+ ut，那么uo應(yīng)為+ ut；如果ui從大于+ ut的值

11、逐漸減小到- ut ui+ ut，那么應(yīng)為- ut。曲線具有方向性，如圖b)所示。實(shí)際上，由于集成運(yùn)放的開環(huán)差模增益不是無窮大，只有當(dāng)它的差模輸人電壓足夠大時，輸出電壓uo才為uz。uo在從+ ut變?yōu)? ut或從- ut變?yōu)? ut的過程中，隨著ui的變化，將經(jīng)過線性區(qū)，并需要一定的時間。滯回比較器中引人了正反饋，加快了uo的轉(zhuǎn)換速度。例如，當(dāng)uo+uz、up=+ ut時，只要ui略大于+ ut足以引起uo的下降，即會產(chǎn)生如下的正反饋過程：uo的下降導(dǎo)致up下降，而up的下降又使得uo進(jìn)一步下降，反饋的結(jié)果使uo迅速變?yōu)閡t，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。本電路中該電路的作用是將正弦信號轉(zhuǎn)

12、變成方波信號，其傳輸特性曲線如下圖所示：圖33.4 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的工作原理 圖4當(dāng)輸入信號為占空比調(diào)小后的方波時，其輸出信號為鋸齒波，電路波形圖如下：圖53.5 總電路圖圖6 第四章 單元電路設(shè)計、參數(shù)計算、器件選擇 4.1 正弦波發(fā)生電路的設(shè)計 本電路中采用rc橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，其電路圖如下所示：圖7 該電路rf回路串聯(lián)兩個并聯(lián)的二極管，如上圖所示串聯(lián)了兩個并聯(lián)的1n4148二極管，這樣利用電流增大時二極管動態(tài)電阻減小、電流減小時動態(tài)電阻增大的特點(diǎn)，加入非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。此時輸出電壓系數(shù)為 au=1+(rf+rd)/r1 rc振蕩的頻率為：fo1/2pirc

13、 用multisim10.0對電路進(jìn)行仿真得到正弦波：圖8仿真與理論接近 4.2 正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的設(shè)計本電路可以采用滯回電壓比較器將正弦波轉(zhuǎn)成方波，其電路原理如下圖所示：圖9原理上文已講述，此處省略。 也可以采用和滯回比較器功能相似的另一電路實(shí)現(xiàn)，如下圖： 圖10輸出電壓幅值僅由穩(wěn)壓管決定，所以選穩(wěn)壓管（1n4748）。 用multisim10.0對其進(jìn)行仿真得到如下波形圖：圖11 4.3 方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的設(shè)計 本電路中方波轉(zhuǎn)成鋸齒波采用積分電路，其電路原理如下圖所示：圖12 積分電路： u0=-+u0(t1)其中，積分電路圖中的電路圖13用于調(diào)節(jié)占空比。鋸齒波形如下圖所示：圖14第

14、五章 實(shí)驗、調(diào)試及測試結(jié)果與分析5.1電路總體仿真圖如下所示圖15輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波頻率范圍 ：在0.02hz-20khz范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào) 輸出電壓：正弦波幅值約為2v、方波幅值約為2v，鋸齒波峰峰值約為2v，占空比可調(diào)5.2 調(diào)試方法與調(diào)試過程總電路圖如下所示圖16圖17 該電路分為三部分，第一部分為rc橋式正弦振蕩電路，其功能是利用rc振蕩產(chǎn)生特定頻率的正弦波，通過調(diào)節(jié)電阻r2改變正弦波幅值；第二部分為類似電壓比較器的電路，其功能為將正弦波轉(zhuǎn)成方波；第三部分為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉(zhuǎn)成鋸齒波，鋸齒波通過調(diào)節(jié)r8的大小改變鋸齒波的幅值。在正弦波產(chǎn)生電路中f=1/2pi

15、rc,改變rc的值可以改變電路的信號頻率，在積分電路中，改變r9的值可以改變方波的占空比。實(shí)驗數(shù)據(jù)： 正弦波幅值（v）1.96方波幅值(v)2.0鋸齒波峰峰值(v)2.1數(shù)據(jù)分析：實(shí)驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致，在誤差范圍內(nèi)，都符合設(shè)計要求。誤差分析：.電阻的實(shí)際值與標(biāo)稱值存在誤差；.rc選頻網(wǎng)絡(luò)中的r、c參數(shù)的選擇不合理導(dǎo)致頻率的選擇不達(dá)不到要求；.電位器的大小選擇不合適，導(dǎo)致調(diào)節(jié)的精度不夠高；.焊接時管腳的連接容易短路或開路，導(dǎo)致波形不能出來；第六章 結(jié)論1 要滿足課設(shè)的頻率調(diào)節(jié)要求，0.02hz20khz，這個部分：需要該進(jìn)成的多檔調(diào)節(jié)（此方法是模擬電子技術(shù)基本教程課本上p281的震蕩頻率連續(xù)可

16、調(diào)的rc串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）或者是更多的檔位（多向開關(guān)實(shí)驗室也沒有，所以只能夠用一個電容，因此頻率調(diào)節(jié)的范圍就小了）。模塊二：以下是過零比較器電路，用來將正弦波轉(zhuǎn)換成方波的部分2對于是一個穩(wěn)幅電路，其作用是穩(wěn)定方波的幅值，使之滿足課設(shè)要求的2v（可是實(shí)驗室沒有這樣幅值的穩(wěn)壓管，給的是6v的所以輸出的要求不能滿足）。模塊三：以下是調(diào)節(jié)方波占空比的電路，用來將方波轉(zhuǎn)換成矩形波的部分這個電路在實(shí)際中好像沒有多大的效果，我個人估計這樣的電路需要在輸出與前一級輸入之間有個反饋！不過在后來的求證當(dāng)中，為了調(diào)節(jié)方波的占空比，可以再第二級的部分稍作改動，將過零比較器改為不過零的，即放大器的正極管腳輸入一個穩(wěn)定的電壓就可以使得翻轉(zhuǎn)電壓因此而改變，改進(jìn)圖：。這樣在第二級輸出的圖形就直接是矩形波了。3：以下是積分電路，用來將矩形波轉(zhuǎn)換成鋸齒波的部分1. 對于這個電路圖對于方波轉(zhuǎn)換成三角波是沒有問題的，可是要將矩形波轉(zhuǎn)換成鋸齒波的話，也許要在這級與前一級間再引入