占空比可調(diào)矩形波-三角波發(fā)生器

1、鄭州科技學(xué)院模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)題 目 占空比可調(diào)矩形波-三角波發(fā)生器學(xué)生姓名 專(zhuān)業(yè)班級(jí) 學(xué) 號(hào) 院 （系） 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 年月日目 錄1 課程設(shè)計(jì)的目的12 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求13 設(shè)計(jì)方案與論證14 設(shè)計(jì)原理及功能說(shuō)明85 單元電路的設(shè)計(jì)（計(jì)算與說(shuō)明）115.1 參數(shù)計(jì)算115.2 元件計(jì)算126 硬件的制作與調(diào)試167 總結(jié)17參考文獻(xiàn)18附錄1：總體電路原理圖19附錄2:元器件清單191 課程設(shè)計(jì)的目的利用模電知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)占空比可調(diào)的矩形波-三角波發(fā)生器。進(jìn)一步鞏固簡(jiǎn)熟悉易信號(hào)發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及電路原理并了解波形的轉(zhuǎn)變方法。學(xué)會(huì)用簡(jiǎn)單的元器件及芯片制作簡(jiǎn)單的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，鍛煉

2、動(dòng)手能力，以及調(diào)試電路并根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可能因素，適當(dāng)?shù)膶?duì)電路進(jìn)行改進(jìn)。2 課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求掌握波形發(fā)生電路設(shè)計(jì)和調(diào)試的方法。掌握波形發(fā)生電路參數(shù)的計(jì)算方法。振蕩頻率范圍：5001000赫茲；三角波幅值調(diào)節(jié)范圍：12伏。根據(jù)題目要求，選定電路結(jié)構(gòu)。計(jì)算和確定電路中的元件參數(shù)。調(diào)試電路，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。寫(xiě)出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。3 設(shè)計(jì)方案與論證函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的電壓波形的電路或者儀器。電路形式可以采用由運(yùn)放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途

3、。現(xiàn)在我們通過(guò)對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理以及構(gòu)成設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的簡(jiǎn)易發(fā)生器。通過(guò)對(duì)電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最適合本課題的方案。在達(dá)到課題要求的前提下保證經(jīng)濟(jì)、方便、優(yōu)化的設(shè)計(jì)策略。按照設(shè)計(jì)的方案選擇具體的原件，焊接出具體的實(shí)物圖，并在實(shí)驗(yàn)室對(duì)焊接好的實(shí)物圖進(jìn)行調(diào)試，觀察效果并與最初的設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)作對(duì)比。最后分析出現(xiàn)誤差的原因以及影響因素。在研制、生產(chǎn)、測(cè)試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都學(xué)要有信號(hào)源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號(hào)并加到被測(cè)器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察，測(cè)量被測(cè)儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量領(lǐng)域

4、中最基本、運(yùn)用最廣泛的一類(lèi)電子儀器。本次設(shè)計(jì)的是較為簡(jiǎn)單的占空比可調(diào)的矩形波-三角波發(fā)生器。其中的整體設(shè)計(jì)方案如下。 圖 3-1 設(shè)計(jì)總原理框圖 產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過(guò)整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊?。函?shù)發(fā)生器電路組成為由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻

5、率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。矩形波產(chǎn)生原理因?yàn)榫匦尾妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。電路組成：如圖所示為矩形波發(fā)生電路，它由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。電壓傳輸特性如圖所示。圖 3-2 矩形波原理圖 設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓u=+UZ，則同

6、相輸入端電位u=+UT。u通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電，如圖中箭頭所示。反相輸入端電位u隨時(shí)間t增長(zhǎng)而逐漸升高，當(dāng)t趨近于無(wú)窮時(shí)，u趨于+UZ； 一旦u=+UT，再稍增大，u就從+UZ躍變?yōu)?UZ，與此同時(shí)u從+UT躍變?yōu)?UT。隨后，u又通過(guò)R3對(duì)電容C放電，如圖中箭頭所示。 反相輸入端電位u隨時(shí)間t增長(zhǎng)而逐漸降低，當(dāng)t趨近于無(wú)窮時(shí)，u趨于-UZ；一旦u=-UT，再稍減小，u就從-UZ躍變?yōu)?UZ，與此同時(shí)，u從-UT躍變?yōu)?UT，電容又開(kāi)始正向充電。 上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。波形分析及主要參數(shù) 由于矩形波發(fā)生電路中電容正向充電與反向充電的時(shí)間常數(shù)均為R3C，而且充電的總幅值也相等

7、，因而在一個(gè)周期內(nèi)u=+UZ的時(shí)間與u=-UZ的時(shí)間相等，u為對(duì)稱(chēng)的方波，所以也稱(chēng)該電路為方波發(fā)生電路。電容上電壓u和電路輸出電壓u波形如圖所示。矩形波的寬度T與周期T之比稱(chēng)為占空比，因此u是占空比為1/2的矩形波。 利用一階RC電路三要素法可列出方程，求出振蕩周期 振蕩頻率f=1/T。調(diào)整電壓比較器的電路參數(shù)R1、R2和UZ可以改變方波發(fā)生電路的振蕩幅值，調(diào)整電阻R1、R2、R3和電容C的數(shù)值可以改變電路的振蕩頻率。19三角波產(chǎn)生原理 圖 3-3 三角波產(chǎn)生原理圖如圖所示為具有三角波和矩形波輸出的振蕩電路。該電路由密勒積分器A2和施密特觸發(fā)器A1構(gòu)成，可以產(chǎn)生三角波和矩形波輸出。振蕩頻率由密

8、勒積分器的時(shí)間常數(shù)(R3+R4)C1和觸發(fā)器的滯后電壓Vcc(R1+R2)/(R1+R2+R3)確定，其中Vcc為電源電壓。調(diào)節(jié)電阻R3可以改變振蕩頻率，而調(diào)節(jié)電阻R2既可以改變?nèi)遣ǖ妮敵龇?，也可以改變振蕩頻率。A2輸出三角波，A1輸出矩形波，它們之間相位差為90度。正弦波產(chǎn)生原理將三角波通過(guò)一個(gè)差分放大電路產(chǎn)生正弦波。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，波形變換過(guò)程中，傳輸特性曲線越對(duì)稱(chēng)，線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度Uim應(yīng)正

9、好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波。另外也可以利用RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波。圖 3-4 RC橋式正弦波振蕩電路原理圖如圖，其中R1、C1、R2、C2為串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)放的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、R4、Rp組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)Rp即可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從而 調(diào)節(jié)放大電路的電壓放大倍數(shù)，使之滿(mǎn)足 自激振蕩的幅度條件。二極管的作用是輸出限幅，改善輸出波形。這里只簡(jiǎn)單介紹穩(wěn)幅措施。為了穩(wěn)定振蕩幅度，通常是在放大電路的負(fù)反饋回路里加入非線性元件來(lái)自動(dòng)調(diào)整負(fù)反饋放大電路的電壓放大倍數(shù)，從而維持輸出電壓幅度的基本穩(wěn)定。兩個(gè)

10、 二極管為穩(wěn)壓元件。當(dāng)輸出電壓 的幅度較小的時(shí)，電阻R4兩端的電壓較小，二極管VD1、VD2截止。負(fù)反饋系數(shù)由R3、Rp、R4決定。當(dāng)輸出電壓的 幅度增加到一定程度時(shí)，二極管導(dǎo)通，其動(dòng)態(tài)電阻與R4并聯(lián)，是反饋系數(shù)加大，電壓放大倍數(shù)下降。輸出電壓的幅度越大，二極管 的動(dòng)態(tài)電阻越小，電壓放大倍數(shù) 越小，從而維持輸出電壓的幅度基本穩(wěn)定。4 設(shè)計(jì)原理及功能說(shuō)明設(shè)計(jì)采用前置矩形波發(fā)生電路，然后對(duì)所得到的矩形波進(jìn)行積分電路積分，最后輸出三角波。矩形波發(fā)生電路實(shí)際是由一個(gè)滯回比較器和一個(gè)RC充放電回路組成，如圖4-1，其中R1、R2與集成運(yùn)放組成滯回比較器，電阻R4和電容C組成充放電回路，穩(wěn)壓管D3、D4和

11、電阻R3的作用是鉗位，將滯回比較器輸出電壓穩(wěn)定在正負(fù)Uz。要得到占空比可調(diào)的三角波則必須要使矩形波的占空比可調(diào)。要得到占空比可調(diào)的矩形波，可通過(guò)改變電路中充放電時(shí)間常數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖4-2 圖 4-2圖中電位器和兩個(gè)二極管的作用是將電容和放電的回路分開(kāi)，調(diào)節(jié)充電和放電兩個(gè)時(shí)間常數(shù)的比例。如果將電位器向下滑動(dòng)，則充電時(shí)間常數(shù)減小，放電時(shí)間常數(shù)增大，于是輸出端為高電平的時(shí)間縮短，低電平的時(shí)間增長(zhǎng)。圖 4-3 總原理圖 前置的為矩形波產(chǎn)生電路，通過(guò)R6經(jīng)過(guò)微分電路微分后得到三角波。使用電路仿真軟件multisim仿真可以直觀的檢查電路的運(yùn)行情況。圖為測(cè)試結(jié)果：圖 4-4 矩形波圖 4-5 矩形波-三角

12、波根據(jù)總原理電路圖可以看出由于矩形波的占空比可以調(diào)節(jié)，故三角波的占空比也可以適當(dāng)調(diào)節(jié)，并且R6電位器可以改變電阻的大小來(lái)改變?nèi)遣ǚ取? 單元電路的設(shè)計(jì)（計(jì)算與說(shuō)明）5.1 參數(shù)計(jì)算 占空比 由圖可知，在Uo=Uz期間，積分電路的輸出電壓Uo往正方向線性增長(zhǎng)，此時(shí)U+也隨著增長(zhǎng)，當(dāng)增長(zhǎng)至U+=U-=0時(shí)，滯回比較器的輸出電壓UO1發(fā)生跳變，而發(fā)生跳變時(shí)的UO值是使三角波的最大值Uom。將條件UO1=-UZ,U+=0和Uo=Uom代入下式可得： 0=(-Uz)+Uom可解的三角波的輸出幅度為:Uom=Uz 占空比 當(dāng)忽略二極管的導(dǎo)通電阻時(shí)經(jīng)分析可知：T1=(R6+R10)C(1+)T2=(R6

13、+R9)C(1+)輸出波形的震蕩周期為： T=T1+T2=(2R6+R8)C(1+)占空比為： D=帶入數(shù)值可計(jì)算得三家漂泊占空比可調(diào)范圍為33.3%-66.6%5.2 元件計(jì)算設(shè)計(jì)所選的元件應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、效果好的原則。在購(gòu)買(mǎi)元件前應(yīng)當(dāng)先做了解，考慮好一些難買(mǎi)元件的替代品，以防意外。電容：本設(shè)計(jì)需要的電容為100、1uF各一個(gè)。電容在電路中實(shí)際要承受的電壓不能超過(guò)它的耐壓值。在濾波電路中，電容的耐壓值不要小于交流有效值的1.42倍。使用電解電容的時(shí)候，還要注意正負(fù)極不要接反。不同電路應(yīng)該選用不同種類(lèi)的電容?？窕芈房梢赃x用云母、高頻陶瓷電容，隔直流可以選用紙介、滌綸、云母、電解、陶瓷等電容

14、，濾波可以選用電解電容，旁路可以選用滌綸、紙介、陶瓷、電解等電容。電容在裝入電路前要檢查它有沒(méi)有短路、斷路和漏電等現(xiàn)象，并且核對(duì)它的電容值。安裝的時(shí)候，要使電容的類(lèi)別、容量、耐壓等符號(hào)容易看到，以便核實(shí)。在電路中100nf的電容主要作用為儲(chǔ)能進(jìn)行充放電，1uf電容主要作用為濾波。在選取電容時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮以上特點(diǎn)。1uf電容可選擇鋁電解電容器。它在電子線路中的基本作用一般概括為：通交流、阻直流，具有濾波、旁路、耦合和快速充放電的功能，并具有體積小、儲(chǔ)存電量大、性?xún)r(jià)比高， 它的特點(diǎn)是容量大，但是漏電大，誤差大，穩(wěn)定性差，常用作交流旁路和濾波，在要求不高時(shí)也用于信號(hào)耦合。電解電容有正、負(fù)極之分，使用時(shí)

15、不能接反。100nf電容可選擇鋁電解電容器或者瓷介電容，用高介電常數(shù)的電容器陶瓷鈦酸鋇一氧化鈦擠壓成圓管、圓片或圓盤(pán)作為介質(zhì)，并用燒滲法將銀鍍?cè)谔沾缮献鳛殡姌O制成。它又分高頻瓷介和低頻瓷介兩種。 瓷介電容具有小的正電容溫度系數(shù)的電容器，用于高穩(wěn)定振蕩回路中，作為回路電容器及墊整電容器。低頻瓷介電容器限于在工作頻率較低的回路中作旁路或隔直流用，或?qū)Ψ€(wěn)定性和損耗要求不高的場(chǎng)合，這種電容器不宜使用在脈沖電路中，因?yàn)樗鼈円子诒幻}沖電壓擊穿。瓷片電容主要針對(duì)于高頻，高壓瓷片電容取決于你使用在什么場(chǎng)合，典型作用可以消除高頻干擾。優(yōu)點(diǎn)：容量損耗隨溫度頻率具高穩(wěn)定性，特殊的串聯(lián)結(jié)構(gòu)適合于高電壓極長(zhǎng)期工作可靠性

16、，高電流爬升速率并適用于大電流回路無(wú)感型結(jié)構(gòu) 。電阻：電阻的分類(lèi)很多，按照材料分類(lèi)可分為線繞電阻器、碳膜電阻器、金屬氧化膜電阻器等。選擇哪一種材料和結(jié)構(gòu)的電阻器，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用電路的具體要求而定。 高頻電路應(yīng)選用分布電感和分布電容小的非線繞電阻器，例如碳膜電阻器、金屬電阻器和金屬氧化膜電阻器，薄膜電阻器，厚膜電阻器，合金電阻器，防腐蝕鍍膜電阻器等。高增益小信號(hào)放大電路應(yīng)選用低噪聲電阻器，例如金屬膜電阻器、碳膜電阻器和線繞電阻器，而不能使用噪聲較大的合成碳膜電阻器和有機(jī)實(shí)心電阻器。所選電阻器的電阻值應(yīng)接近應(yīng)用電路中計(jì)算值的一個(gè)標(biāo)稱(chēng)值，應(yīng)優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)系列的電阻器。一般電路使用的電阻器允許誤差為

17、7;5%±10%。精密儀器及特殊電路中使用的電阻器，應(yīng)選用精密電阻器，對(duì)精密度為1%以?xún)?nèi)的電阻，如0.01%，0.1%，0.5%這些量級(jí)的電阻應(yīng)采用捷比信電阻。所選電阻器的額定功率，要符合應(yīng)用電路中對(duì)電阻器功率容量的要求，一般不應(yīng)隨意加大或減小電阻器的功率。本設(shè)計(jì)碳膜電阻器或金屬氧化膜電阻器等性?xún)r(jià)比高，耐用的電阻。二極管： 二極管種類(lèi)有很多，按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。根據(jù)其不同用途，可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開(kāi)關(guān)二極管、隔離二極管、肖特基二極管、發(fā)光二極管、硅功率開(kāi)關(guān)二極管、旋轉(zhuǎn)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點(diǎn)接觸型二極管、

18、面接觸型二極管及平面型二極管。點(diǎn)接觸型二極管是用一根很細(xì)的金屬絲壓在光潔的半導(dǎo)體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地?zé)Y(jié)在一起，形成一個(gè)“PN結(jié)”。由于是點(diǎn)接觸，只允許通過(guò)較小的電流（不超過(guò)幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機(jī)的檢波等。面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過(guò)較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過(guò)較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，多用于開(kāi)關(guān)、脈沖及高頻電路中。本設(shè)計(jì)中需要用到整流二極管和穩(wěn)壓二極管，其中穩(wěn)壓二極管為雙向穩(wěn)壓二極管，雙向穩(wěn)壓二極管可以穩(wěn)定輸出信號(hào)。在實(shí)際操作中可選用兩

19、個(gè)穩(wěn)壓二極管負(fù)極對(duì)接代替。6 硬件的制作與調(diào)試在進(jìn)行制作前首先應(yīng)該檢測(cè)元件，以防將損壞的元件焊入電路中影響測(cè)試。檢測(cè)電阻器：使用萬(wàn)用表歐姆檔，將黑紅表筆同時(shí)接入電阻器的兩個(gè)引腳，觀察電阻 值是否正常。檢測(cè)電容：可以使用數(shù)字萬(wàn)用電表檢測(cè)或者直接用數(shù)字電橋進(jìn)行精確檢測(cè)。另外二極管和穩(wěn)壓二極管都可以用數(shù)字萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)，運(yùn)放741集成塊一般情況下只需觀察其外觀是否有破損引腳是否斷裂缺失即可。檢測(cè)完成后，即可按照電路圖對(duì)元件進(jìn)行焊接了，在焊接過(guò)程中要注意不能長(zhǎng)時(shí)間將電烙鐵接觸元件的焊接引腳上，以免高溫?zé)龎脑：附咏Y(jié)束后需要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)試，將其接通電源，輸出端接入示波器，觀察是否有理想波形，如果波形不存

20、在或者嚴(yán)重失真，則應(yīng)該按照電路檢測(cè)的方法，檢查元器件和電路焊接的情況。在得到較為理想的波形后，調(diào)節(jié)電位器R4，觀察波形的變化情況，可以直觀的看到占空比發(fā)生明顯變化，調(diào)節(jié)電位器R6觀察三角波幅度的變化。在調(diào)節(jié)時(shí)應(yīng)注意波形是否失真。7 總結(jié) 為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，在這一星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程中我感觸頗深。使我對(duì)抽象的理論有了具體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試；熟悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等。其次，這次課程設(shè)計(jì)提高了我的團(tuán)隊(duì)合作水平，使我們配合更加默契，體會(huì)了在接好電路后測(cè)試出波形的那種喜悅。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們遇到了不少的問(wèn)題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問(wèn)題。在老師和同學(xué)的幫助下，把問(wèn)題一一解決，那種心