多功能鋸齒波發(fā)生器的設計

1、課程設計說明書課程名稱： 模擬電子技術課程設計 題 目： 多功能鋸齒波發(fā)生器的設計學生姓名： 專 業(yè)： 班 級： 學 號： 指導教師： 日 期： 年 月 日多功能鋸齒波發(fā)生器的設計一、設計任務與要求 (1)在控制開關的作用下，能實現單周期掃描、間歇掃描、連續(xù)掃描和停止掃描控制功能(2)具有輸出幅度調節(jié)、直流偏置調節(jié)和掃描周期調節(jié)功能；(3) 輸出幅度在正負10V范圍內可調線性度優(yōu)于0.01。（4）運用集成運算放大器為主要器件。二、方案設計與論證鋸齒波發(fā)生器是運用相關器件組合而產生的電路，其中一個非常重要的部件就是集成運算放大器，以及由集成運算放大器組成的滯回比較器、積分器。用集成運放實現的電路

2、結構簡單，調整方便。如果在三角波發(fā)生電路中,有意識地使積分電路充電和放電的時間常數相差懸殊,則在積分電路的輸出端即可得到鋸齒波信號。要實現幅度可調,則需將控制輸出電壓幅度的相應參數設置成可調參數即可。器件與單元電路的介紹：集成運算放大器，滯回比較器，積分電路，反向比例運算電路，555定時器。三、單元電路設計與參數計算1.工作原理假設初始時刻滯回比較器輸出端為高電平，而且假設積分電容上的初始電壓為零。由于A1同相輸入端的電壓U+同時與Uo1和Uo有關，根據疊加原理，可得： （7）則此時U+也為高電平。但當時，積分電路的輸出電壓Uo將隨著時間往負方向線性增長，U+隨之減小，當減小至時，滯回比較器的

3、輸出端將發(fā)生跳變，使，同時U+將跳變?yōu)橐粋€負值。以后，積分電路的輸出電壓將隨著時間往正方向線性增長，U+也隨之增大，當增大至時，滯回比較器的輸出端再次發(fā)生跳變，使,同時U+也跳變?yōu)橐粋€正值。然后重復以上過程，于是可得滯回比較器的輸出電壓為矩形波，而由于積分電路的充放電時間不等，故積分電路輸出電壓Uo為鋸齒波。如圖2所示：圖2 鋸齒波發(fā)生電路的波形圖由上圖可知，當發(fā)生跳變時，鋸齒波輸出Uo達到最大值Uom，而發(fā)生跳變的條件是：，將條件，代入（7）式，可得： （8）由此可解得鋸齒波輸出的幅度為： (9) 要使得幅度可調，由（9）式可知，改變參數即可，所以實際電路中采用滑動變阻器；調節(jié)滑動變阻器即可

4、改變鋸齒波的輸出幅度。從而滿足設計要求。2.各個部分組成電路及元件集成運算放大器圖3是集成運放的符號圖，1、2端是信號輸入端，3、4是工作電壓端，5是輸出端，在實際中還有調零端，頻率補償端和偏置端等輔助端。集成運算放大器的輸入級通常由差分放大電路組成，因此一般具有兩個輸入端以及一個輸出端。圖中標有“+”號的是同相輸入端，標有“”號的是反相輸入端，當信號從同相端輸入時，輸出信號和輸入信號同相，反之則反相。當集成運放工作在線性區(qū)時，它的輸入信號電壓和輸出信號電壓的關系是： （1）式中是運放器的放大倍數，是非常大的，可達幾十萬倍，這是運算放大器和差分放大器的區(qū)別，而且集成運放器的兩個輸入端對地輸入阻

5、抗非常高，一般達幾百千歐到幾兆歐，因此在實際應用中，常常把集成運放器看成是一個“理想運算放大器”。理想運算放大器的兩個重要指標為： （1）差模輸入阻抗為；（2）開環(huán)差模電壓增益Aod為。根據這兩項指標可知，當理想運算放大器工作在線性區(qū)時，因為其輸入阻抗為，因此在其兩個輸入端均沒有電流，即在圖1中，如同兩點被斷開一樣，這種現象稱為“虛斷”。又因為，根據輸入和輸出端的關系：，所以認為運放的同相輸入端與反相輸入端兩點的電壓相等，如同將該兩點短路一樣。這種現象成為“虛短”。“虛短”和“虛斷”是理想運放工作在線性區(qū)時的兩個重要結論，常常作為分析許多運放電路的出發(fā)點。當理想運放工作在非線性區(qū)時，則“虛短”

6、現象不復存在。圖3集成運算放大器滯回比較器滯回比較器具有電路簡單、靈敏度高等優(yōu)點。在比較電路當中，如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在門限電平上下波動，則輸出電壓將在高、低兩個電平之間反復地跳變，如在控制系統中發(fā)生這種情況，將對執(zhí)行機構產生不利的影響。滯回比較器則克服了單限比較器的這種缺陷。滯回比較器又名施密特觸發(fā)器，其電路如圖2所示。圖4 滯回比較器電路原理圖輸入電壓Ui經電阻加在集成運放的反相輸入端，參考電壓Uref經電阻接在同相輸入端，此外從輸出端通過電阻Rf引回同相輸入端。電阻和背靠背穩(wěn)壓管VDz的作用是限幅，將輸出電壓的幅度限制在Uz。在本電路中，當集成運方反相輸入端與同相輸入端的電

7、位相等，即時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。其中U+則由參考電壓Uref及輸出電壓Uo二者共同決定，而Uo有兩種可能的狀態(tài)：+Uz或Uz。由此可見，這種比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，如圖3所示。圖5 滯回比較器的傳輸特性下面對此電路進行定性的分析：利用疊加原理可求得同相輸入端的電位為： （2）若原先Uo=+Uz,當Ui逐漸增大時，使Uo從+Uz跳變?yōu)閁z所需的門限電平用UT表示，由上式可知： （3）若原先Uo=Uz，當Ui逐漸減小，使Uo從Uz跳變?yōu)?Uz所需的門限電平用UT表示，則： （4）上述兩個門限電平之差成為門限寬度，用符號表示，由以上兩式可求得： （5）由此可見，門限寬

8、度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz以及電阻和的值，但與參考電壓Uref無關。也就是說，當Uref增大或減小時，滯回比較器的傳輸特性將平行地右移或左移，但滯回曲線的寬度將保持不變。說明滯回比較器的抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動時，只要根據干擾或噪聲電平適當調整滯回比較器兩個門限電平UT和UT的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高低電平間反復跳變。積分電路積分電路時一種應用比較廣泛的模擬信號運算電路，它是組成模擬計算機的基本單元，可以實現對微分方程的模擬。同時，積分電路也是控制和測量系統中常用的重要單元，利用其充放電過程可以實現延時、定時以及各種波形的產生。電路組成如圖6，根據理

9、想運放工作在線型區(qū)時“虛短”和“虛斷”的特點可知：電路的輸出電壓Uo與電容兩端的電壓Uc成正比，而電路的輸入電壓Ui與流過電容的電流ic成正比，即Uo與Ui之間成為積分運算關系。圖6 積分電路由于集成運放的反相輸入端“虛地”，故可見輸出電壓與電容兩端電壓成正比。又由于“虛斷”，運方反相輸入端的電流為零，則，故即輸入電壓與流過電容的電流成正比。由以上幾個表達式可得： （6）由此可知，當輸入電壓為矩形波時，通過積分換算，輸出電壓即可轉變?yōu)槿遣?。四、總原理圖及元器件清單1總原理圖2元件清單5、 安裝與調試六、性能測試與分析（寫仿真調試與分析）幅度可調鋸齒波發(fā)生電路包括兩部分，一是由集成運算放大器組

10、成的滯回比較器電路，二是由集成運算放大器組成的積分電路。它的主要元器件包括集成運算放大器、電容、電阻、可調電位器、二極管、穩(wěn)壓管等。將積分電路的輸出電壓接在示波器通道A一端，便可對電路進行仿真，得出仿真結果。電路中采用的是虛擬器件，因此有可能影響仿真結果，仿真時鋸齒波的最大幅度比理論值稍大。仿真結果同預期結果大體相同。用集成運算放大器實現的鋸齒波發(fā)生器電路基本上符合了要求，還用了555定時器做間歇掃描，反相比例運算電路做調幅作用；電路優(yōu)點:它不僅電路簡單，器件選擇靈活，而且性能較好。電路的不足之處：電路中通過引入了深度的負反饋，以保證集成運放工作在線性區(qū)，在線性區(qū)內，差模輸入電壓的范圍特別小，

11、這就限制了集成運放輸入電壓的幅度，如果想得到更大幅度的鋸齒波，則不宜采用這種電路。此外，電路中采用了滑動變阻器，在對電路精度要求嚴格的場合下，不適合采用此電路。產生鋸齒波 可調幅度的鋸齒波 可調周期的鋸齒波可調鋸齒波的形狀進行間歇性掃描單脈沖的鋸齒波七、結論與心得用集成運算放大器實現的鋸齒波發(fā)生器電路基本上符合了要求，還用了555定時器做間歇掃描，反相比例運算電路做調幅作用；電路優(yōu)點:它不僅電路簡單，器件選擇靈活，而且性能較好。電路的不足之處：電路中通過引入了深度的負反饋，以保證集成運放工作在線性區(qū)，在線性區(qū)內，差模輸入電壓的范圍特別小，這就限制了集成運放輸入電壓的幅度，如果想得到更大幅度的鋸齒波，則