設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生正弦波方波三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器完整版

1、設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生正弦波方波三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換HEN system office room HEN 16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688模擬電路課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)課題:設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生正弦波'方波'三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器專業(yè)班級(jí)： 電信本學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：47指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間： 1月7日設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生正弦波一方波一三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1 .輸出波形頻率范圍為20kHz且連續(xù)可調(diào)；2 .正弦波幅值為±2V,；3 .方波幅值為2V；4 .三角波峰-峰值為2V,占空比可調(diào)；5 .分別用三個(gè)發(fā)光二極管顯示三種波形輸出；6 .用橋式整流電容濾波集成穩(wěn)壓塊電路

2、設(shè)計(jì)電路所需的正負(fù)直流電源（±12V）。二、方案設(shè)計(jì)與論證設(shè)計(jì)要求為實(shí)現(xiàn)正弦波-方波-鋸齒波之間的轉(zhuǎn)換。正弦波可以通過RC振蕩電 路產(chǎn)生。正弦波通過滯回比較器可以轉(zhuǎn)換成方波，方波通過一個(gè)積分電路可以轉(zhuǎn)換成三角波，三角波的占空比只要求可調(diào)即可。各個(gè)芯片的電源可用±12V直流電源提 供，并備用了兩套方案設(shè)計(jì)。方案一：方案一電路方框圖如圖1所示。LC正弦波振蕩滯回比較器|積分電路"I電路_圖1方= 1向I'LC正弦波振蕩電路與RC橋式正弦波振蕩電路的組成原則在本質(zhì)上是相似的， 只是選頻網(wǎng)絡(luò)采用LC電路。在LC振蕩電路中，當(dāng)f二f。時(shí)，放大電路的放大倍數(shù)數(shù)值 最大

3、，而其余頻率的信號(hào)均被衰減到零；引入正反饋后，使反饋電壓作為放大 電路的輸入電壓，以維持輸出電壓，從而形成正弦波振蕩。方案二：方案二電路方框圖如圖2所示。RC正弦波振蕩電路務(wù)案二仿真電路如向I磁鳴塞輯框H積分電路I3所示。圖3方案二仿真電路圖方案論證：LC正弦波振蕩電路特別是方案一所采取的電感反饋式振蕩電路中與2之間耦合緊密，振幅大；當(dāng)C采用可變電容時(shí)，可以獲得調(diào)節(jié)范圍較寬的振 蕩頻率，最高頻率可達(dá)幾十兆赫茲。由于反饋電壓取自電感，對(duì)高頻信號(hào)具有較大的 電抗，輸出電壓波形中常含有高次諧波。因此，電感反饋式振蕩電路常用在對(duì)波形要 求不高的設(shè)備之中，如高頻加熱器、接受機(jī)的本機(jī)振蕩電路等。另外由于L

4、C正弦波 振蕩電路的振蕩頻率較高，所以放大電路多采用分立元件電路，必要時(shí)還應(yīng)采用共基 電路。因此對(duì)于器材的選擇及焊接的要求提高，并且器材總價(jià)格也增加了。相反，RC正弦波振蕩電路的振蕩頻率較低，一般在1MHz以下，它是以RC串并聯(lián) 網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻 率穩(wěn)定，帶負(fù)載能力強(qiáng)，輸出電壓失真小等優(yōu)點(diǎn)，因此獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。另外對(duì) 于器材的要求也不高，只需集成塊、電容、電位器等組成即可。在焊接方面，直接、 美觀、大方！在器材總價(jià)格方面，相比第一種方案更為實(shí)惠。綜合對(duì)比兩種方案，我選擇第二種方案。三、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算（一）單元電路設(shè)計(jì)1.正弦

5、波發(fā)生器實(shí)驗(yàn)原理（1）RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。n 7I R；,取用二位二萬，61二62二。，蒯）=廣=幺=Z，=1 +RC。Z1+Z2凡+_+!則：j 比；l + jdRC=1 _得斤。串并聯(lián)電路的幅頻特性為：1相（1+於似+w忌）頻特性為：f=L _卜+（0_與3¥g co最大，F(xiàn)二0。V（2）振蕩頻率與起振條件1）振蕩頻率 /）= !2itRC2）起振條件當(dāng)f = f0時(shí)，F(xiàn) =-由振蕩條件知：,耳13所以起振條件為：同相比例運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)為：A“=l + $即要求：氏； 2R3）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：反饋電阻的熱敏/采用負(fù)溫度系數(shù)電阻，R1采用正溫系數(shù)的熱敏 電阻，均可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅?；蛘咴?/p>

6、后回路中串聯(lián)二個(gè)并聯(lián)的二極管也可以自動(dòng)穩(wěn)幅。 正弦波發(fā)生器仿真電路圖4所示。圖4正弦波發(fā)生器仿真電路圖2.正弦波一方波轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)原理正弦波一方波轉(zhuǎn)換器方框圖如圖5所示。/弦波發(fā)生電，編qaJiP 匚三二|（1J電路組成：1）滯回比較器：集成運(yùn)方、Rll、R8.圖6為一種電壓比較器電路，雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，用起限流作用，足和大 構(gòu)成正反饋，運(yùn)算放大器當(dāng)心乂時(shí)工作在正飽和區(qū)，而當(dāng)心必時(shí)工作在負(fù)飽和區(qū)。從 電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入電壓小于某一負(fù)值電壓時(shí)，輸出電壓尸-4 當(dāng)輸入電壓& 大于某一電壓時(shí)，好+0 乂由于“虛斷”、“虛短”妹&二0,由此可確定出翻轉(zhuǎn)時(shí)的 輸入電壓。4用&am

7、p;和4表示，有1 1+"o。1+1 8+%& &得此時(shí)的輸入電壓區(qū)稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖7所示。設(shè)輸入電壓初始值小 于一心，此時(shí)a二-以；增大口,當(dāng)好心時(shí)，運(yùn)放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入正飽和區(qū)。如果 初始時(shí)刻運(yùn)放工作在正飽和區(qū)，減小&,當(dāng)4二-4肅寸，運(yùn)放則開始進(jìn)入負(fù)飽和區(qū)。圖6電壓比較器電路圖7滯回電壓比較器的直流傳遞特性（2）正弦波一方波轉(zhuǎn)換仿真電路圖正弦波一方波轉(zhuǎn)換仿真電路如圖8所示。圖8正弦波一方波轉(zhuǎn)換仿真電路圖3 .方波一三角波轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)原理方波一三角波轉(zhuǎn)換器方框圖如圖9所示。方波發(fā)生電路（1）積分運(yùn)算電路 如圖10所示。由于“虛

8、地”， U-二0,Uo=-Uc由于“虛斷”，ix=ic,故:Ui 二 iiRRun = -ur = i（.dt = - M.d/得：cJ RcJ ； T=RC （積分時(shí)間常數(shù)）由上式可知，利用積分電路可以實(shí)現(xiàn)方波一一三角波的波形變換。（2）正、反向積分時(shí)間常數(shù)可調(diào)電路正、反向積分時(shí)間常數(shù)可調(diào)電路如圖11所示。圖11正、反向積分時(shí)間常數(shù)可調(diào)電路4 .直流電源電路原理直流電源電路方框圖如圖12所示。電源變壓器101 整流電路I- I濾波電路101 穩(wěn)壓電路I1囪 在 直加電川電路方卮函111（1）整流電路：將交流變直流的過程。設(shè)變壓器副邊電壓U2二同,sin wt,U?為其有效值。一則：輸出電壓的

9、平均值輸出電流的平均值Io(AV)=R1脈動(dòng)系數(shù)s 二巴以二 2/3 二 O(AV)二極管的選擇最大鎮(zhèn)流電流If登A叫最高反向工作電壓Urx> nQU）（2）濾波電路：將脈動(dòng)的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷骸?按照三角形相似關(guān)系可得：Uo（av）=V2U2（1-T/4RlC）當(dāng) RC=（35）T/2 時(shí)，Uoav） 二脈動(dòng)系數(shù)為S二TAR.C-T（3）穩(wěn)壓電路：把電壓幅值穩(wěn)定的電路。在穩(wěn)壓二極管所組成的穩(wěn)壓電路中，利用穩(wěn)壓管所起的電流調(diào)節(jié)作用，通過限 流電阻R上電壓或電流的變化進(jìn)行補(bǔ)償，來達(dá)到穩(wěn)壓的目的。限流電阻R是必不可少 的元件，它既限制穩(wěn)壓管中的電流使其正常工作，乂與穩(wěn)壓管相配合以達(dá)到

10、穩(wěn)壓的目 的。一般情況下，在電路中如果有穩(wěn)壓管存在，就必然有與之匹配的限流電阻。1）穩(wěn)壓電路輸入電壓5的選擇：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般選取Ui=（23）U。U】確定后，就可以根據(jù)此值選擇整流濾波電路的元件參數(shù)。2）穩(wěn)壓管的選擇：Uz=Uo；I -frn” I Zoin> L rrn” L rrin 穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流IG=Iu+I3）限流電阻R的選擇：通過查手冊(cè)可知：1爾=Id二二1.；計(jì)算可知：凡ax二（U-1）/（1二+1）R-U二）/（1二產(chǎn)1）本實(shí)驗(yàn)采用集成穩(wěn)壓器電路，其包括調(diào)整管、保護(hù)電路、比較放大電路、基準(zhǔn)電 壓電路、采樣電路、電流源電路。4）直流電源電路仿真電路圖如圖13所示。圖13

11、直流電源電路仿真電路圖（二）參數(shù)計(jì)算1.直流電源的參數(shù)設(shè)計(jì)提供的是220V的交流電源要變?yōu)檎?fù)12V直流電，變壓器用220Vl5V規(guī)格的，由于整流電路中用的二極管最大鎮(zhèn)流電流ID烏最高反向工作電壓 叫.UQ二同,，因此選用二極管型號(hào)為1N4007即可。濾波電路中RC二（35）T/2時(shí)濾波效 果好，因此大電容可選用耐壓值為35V, 3300uf的電容兩個(gè)。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中選的 三端穩(wěn)壓器為：LM7812、LM7912,這樣可以穩(wěn)定輸出電壓為正負(fù)12V。另外加上一些濾波電容，即：C3=C.=220uf, C5=C6=220nf, CFCs=100nf.為了顯示輸出電 壓“與否”，兩邊可分別用二極管

12、串聯(lián)一個(gè)1K的電阻來顯示。正弦波振蕩電路的參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸出波形頻率范圍為20kHz且連續(xù)可調(diào)，正弦波幅值為±2V, f0=l/（2nRC）,由于器材的原因,取C=220nf,則R=l/2 UfOC,解之可得，R的取值范 圍因此RC選頻網(wǎng)絡(luò)用兩個(gè)5K電位器和兩個(gè)220nf的電容組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于 電壓幅值2V,可以通過R310K的電位器和RJOK的電阻調(diào)節(jié)而得到。3.方波電路的參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求方波幅值為2V,因此選擇的穩(wěn)壓二極管可選用穩(wěn)壓為的，共兩 個(gè)。3.三角波電路的參數(shù)設(shè)計(jì)由于是方波一三角波轉(zhuǎn)換電路，因此在第二個(gè)集成塊的輸出端加上個(gè)限流阻R5=2K,根據(jù)設(shè)計(jì)要求鋸齒波

13、的峰一峰值為2V,且占空比可調(diào)。Uo=- -LUz (tl-tO)+Uo(to) 當(dāng) Uo=1Uz (t2-t 1)+Uo(tl)R8C(R8 + R9)Ct= 2R> 2RS-R9)C，取r9、R5為iok的電位器，R8為50K電位器。解之可得：R6R6=282/T=282f=因此取R6=10K,積分電路中O220nf,改變占空比的二極管可選用 2個(gè)1X4007,補(bǔ)償電阻R12可選取10K,以保證集成運(yùn)放輸入級(jí)差分放大電路的對(duì)稱 性。四、總原理圖及元器件清單1 .總原理圖直流電源原理圖如圖14所示。圖14直流電源原理圖波形轉(zhuǎn)換原理圖如圖15所示圖15波形轉(zhuǎn)換原理圖2 .元件清單元件序號(hào)

14、型號(hào)主要參數(shù)數(shù)量備注(價(jià)錢)變壓器±15V19元三端穩(wěn)壓器LM78121元三端穩(wěn)壓器LM79121元電阻68 Q、2K、10K15K、 1K3、1、31、2元芯片Ua7413元電位器5K、 50K2、1元電位器10K4元電容3元二極管1N400710元發(fā)光二極管元穩(wěn)壓管2元大號(hào)焊接板1元大電容耐壓35V以上3300uf>2、2元220uf小電容、2、2元導(dǎo)線13元五、安裝與調(diào)試L直流穩(wěn)壓電源（1）按所設(shè)計(jì)得電路圖在電路板上做好布局，準(zhǔn)備焊接電路板。（2）用萬用表測得輸出為十和，與理論值有一定的誤差；并且測出7812、7912輸 入與輸出的壓差，并記錄。2.正弦波、方波、三角波（

15、1）按所設(shè)計(jì)得電路圖在電路板上做好布局，準(zhǔn)備焊接電路板.（2）經(jīng)“起振”調(diào)試后用示波器可測得各輸出端的波形，并記錄。（3）用示波器讀出格數(shù)，計(jì)算峰一峰值；（4）調(diào)節(jié)各個(gè)電位器，用函數(shù)發(fā)生器的輸入端測出各個(gè)波形的頻率范圍，并記 錄。六、性能測試與分析1 .直流電源部分用萬用表測得輸出為十和，與理論值有一定的誤差；并且測出7812、7912輸入與輸出的壓差。（1）數(shù)據(jù)處理：輸出:LM7812輸出;LM7912 輸出。穩(wěn)壓塊電勢差：LM7812為，LM7912為。（2）誤差計(jì)算：LM7812： （12-12） /12X100 爐0%。LM7912：1/12x100%=%。2 .波形轉(zhuǎn)換部分經(jīng)“起振”

16、調(diào)試后用示波器可測得各輸出端的波形，并記錄。用示波器讀出格 數(shù)，計(jì)算峰一峰值；然后用數(shù)字毫伏表讀出其有效值，并記錄。調(diào)節(jié)各個(gè)電位器，用 函數(shù)發(fā)生器的輸入端測出各個(gè)波形的頻率范圍，并記錄。（1）正弦波（幅值可調(diào)、頻率可調(diào)）峰-峰值：Up-p=x= 有效值為：U=2梃二頻率調(diào)節(jié)范圍為：一一（2）方波峰-峰值：Up-p=2x2V=4V頻率調(diào)節(jié)范圍為：相對(duì)誤差：2-2 /2xl00%=0（3）三角波（占空比可調(diào)）峰-峰值：Up-p=lx2V=2V 頻率調(diào)節(jié)范圍為：相對(duì)誤差：2-2 /2xl00%=03 .誤差分析：（1）直流電源輸出不是標(biāo)準(zhǔn)的正負(fù)12V。（2）集成塊不是理想的集成塊；（3）電子元器件存

17、在缺陷，并不是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，比如電阻電容不夠理想等；（4）電路之間的連線不是理想的，有電阻，使實(shí)驗(yàn)存在誤差；（5）由于實(shí)驗(yàn)者讀數(shù)的隨機(jī)性，從而造成偶然誤差。七、結(jié)論與心得1 .實(shí)驗(yàn)結(jié)論：（1）通過調(diào)節(jié)10k電位器，可以改變正弦波的幅值；（2）方波的幅值由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值決定。（3）調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管并聯(lián)的電位器可以調(diào)節(jié)方波的幅值；調(diào)節(jié)RC振蕩電路的調(diào)頻電 位器可以調(diào)節(jié)頻率大小。（4） RC橋式正弦波振蕩電路以RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)，以電壓 串聯(lián)負(fù)反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)。（5）在調(diào)試過程中，采取逐級(jí)調(diào)試，逐級(jí)校準(zhǔn)的方法得到試驗(yàn)結(jié)論。2 .心得：由于是第一次做課程設(shè)計(jì)，自己乂對(duì)設(shè)計(jì)的具體操作過程還不

18、是很了解，總是覺 得很難做。還好老師在課堂上多次講解了，提出了一些我們要注意的問題，自己心里 就有底了。我先是在網(wǎng)上查到了一些資料，然后我們小組一起討論了電路圖的設(shè)計(jì)以及參數(shù) 計(jì)算問題，解決這些問題后，我們開始做仿真電路圖，想通過仿真結(jié)果來初步驗(yàn)證我 們的設(shè)計(jì)電路，但讓我吃驚是，一開始仿真失敗了，我都弄了好幾張電路圖，依然沒 有波形出來，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)是由于軟件的原因，集成塊是沒有用的，無法達(dá)到實(shí)際的 效果，我還重裝了軟件，還是弄不出結(jié)果，我心里很著急，因?yàn)闀r(shí)間很緊，還要復(fù)習(xí) 考試，最后我只好用其他集成塊代替進(jìn)行仿真，結(jié)果出來了波形，我乂進(jìn)行了參數(shù)驗(yàn) 證，也符合要求，但是正弦波幅值不滿足要求，我

19、只好詢問老師是否可行，老師沒有 為難我們，說幅值并不過分要求。這樣我們列好器件名單去市區(qū)買，但是穩(wěn)壓管沒有 穩(wěn)2V的賣，只買了穩(wěn)的。買回器件后就開始焊電路板了，我先是按電路圖進(jìn)行布局，之后再焊接，用了一 上午的時(shí)間才做完，由于是元旦假日，那天不能去調(diào)試，但我在搬室粗測有用。到第 二天上午我去調(diào)試，雖然有波形出來，但有些失真，而其他人的波形要么失真，要么 就沒有波形，我看了下她們的電路板，結(jié)果有些錯(cuò)誤，經(jīng)過改正之后就有波形了，我 的因最后操作失誤，把穩(wěn)壓管給燒了，只好回去換，第二天上午我們組都去了調(diào)試， 我的正弦依然有些失真，而有些成員的波形也不夠理想，但我們互相幫助，最終都調(diào) 出來了，下午正式檢測時(shí)、老師說我的電路板焊點(diǎn)不夠好，布局也不是很理想，結(jié)果 扣了兩分，但我仍然很高興，因?yàn)槠渌蓡T也都做的很成功。建議：首先是不要太在意仿真電路的結(jié)果，它只是一個(gè)虛擬的、理想狀態(tài)下的環(huán) 境，我因過分注重仿真結(jié)果，浪費(fèi)了很多時(shí)間；再就是要早做準(zhǔn)備，這次我們實(shí)在是 時(shí)間好緊，測試和考試就差一天；第三就是可在方波的集成塊加一個(gè)參考電壓，這樣 波形就更好了。八、參考文獻(xiàn)1模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第四版童詩白與華成英主編，高等教育出版社.(2006)；2電子線路設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、測試(第二版)謝自美主編，華中理工大學(xué)出 版社；