正弦波方波三角波發(fā)生器設計

1、一 設計的目的及任務1.1 設計目的 1 掌握電子系統(tǒng)設計的一般方法。2 培養(yǎng)綜合應用理論知識指導實踐的能力。 3 掌握電子元件的識別和測試。 4 了解電路調試的基本方法。1.2 設計任務和要求 1 設計一個能產生正弦波方波三角波的函數轉換器。 2 能同時輸出一定頻率一定幅度的3種波形：正弦波、方波和三角波。3 可以用±12V或±15V直流穩(wěn)壓電源供電。1.3 課程設計的技術指標1輸出波形頻率范圍0.02hz20khz且能連續(xù)可調。 2 正弦波幅值為±2V。 3方波幅值為2V。 4三角波峰峰值為2V且占空比可調。二 方案比較與論證 2.1方案一方案一采用LC正弦波

2、振蕩電路、電壓比較器、積分電路，構成正弦波-方波-三角波函數轉換器。LC正弦波振蕩電路具有容易起振、振幅大、頻率調節(jié)范圍寬等特點，但是輸出波形較差。LC正弦波振蕩電路 電壓比較器 積分電路圖2.1.1 方案一 原理框圖 2.2方案二方案二采用石英晶體正弦波振蕩電路產生正弦波，石英晶體正弦波振蕩電路具有振蕩頻率穩(wěn)定度高的優(yōu)點，但其頻率調節(jié)性能較差且受環(huán)境溫度影響大。石英晶體正弦波振蕩電路 電壓比較器 積分電路圖2.2.1 方案二 原理框圖2.3方案三方案三首先用一個RC振蕩電路產生正弦波，然后在用一個電壓比較器產生方波，最后在方波基礎上利用積分電路產生三角波。電路框圖如圖2.3.1所示。 RC正

3、弦波振蕩電路 電壓比較器 積分電路 圖2.3.1 方案三 原理框圖 綜上三種方案，方案一雖然對頻率的調節(jié)性能好，但輸出波形較差；方案二振蕩頻率穩(wěn)定性好，但頻率不易調節(jié)，且受環(huán)境影響大，對電子元件要求也較高；方案三能實現(xiàn)頻率的連續(xù)可調，具有簡單容易操作等優(yōu)點，而且對電子元件的要求也不高，都為常用元件。綜上所述，方案三為最佳方案。三 系統(tǒng)組成及工作原理3.1正弦波發(fā)生電路的工作原理3.1.1 產生正弦波的振蕩條件所謂正弦振蕩，是指在不加任何輸入信號的情況下，由電路自身產生一定頻率、一定幅值的正弦波電壓輸出。 (a) (b) 圖3.1.1 正弦波振蕩電路的方框圖正弦波振蕩電路的方框圖如圖3.1.1示

4、，上一方框為放大電路，下一方框為反饋網絡。圖（b）中，電路和閘通電后，在電擾動下，對于某一特定頻率f0的信號形成正反饋。 由于半導體器件的非線性特性及供電電源的限制，最終達到動態(tài)平衡，穩(wěn)定在一定的幅值。即表明正弦波振蕩電路的平衡條件為： 而平衡條件又分為幅值平衡條件和相位平衡條件，即： 幅值平衡條件 相位平衡條件所以電路的起振條件為：3.1.2 正弦波發(fā)生電路的組成及各部分的作用引入正反饋的反饋網絡和放大電路，其中接入正反饋是產生振蕩的首要條件；要產生按振蕩還必需要滿足幅值條件；要保證輸出頻率單一且實現(xiàn)頻率的可控，必需要有選頻網絡；同時還應具備穩(wěn)幅特性。因此，正弦波產生電路主要有放大電路、反饋

5、網絡、選頻網絡、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)四部分組成。（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。（2) 正反饋網絡：滿足相位條件，放大電路的輸入信號等于其反饋信號。（3) 選頻網絡：確定電路的振蕩頻率，使電路產生單一頻率的信號，保證電路產生正弦波振蕩。（4) 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：即非線性環(huán)節(jié)，穩(wěn)定輸出信號的幅值。3.1.3 判斷電路是否振蕩。判斷電路能否產生正弦波振蕩的方法： （1）觀察電路是否存在放大電路、反饋網絡、選頻網絡、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)等四個重要組成部分。 （2）放大電路的結構是否合理，能否正常放大，靜態(tài)工作是否合適。（3） 電路是否滿足起振的幅度條件。若能滿足相位平衡條件，又能滿

6、足起振條件，則說明該電路一定會產生正弦波振蕩。正弦波振蕩電路檢驗，若： (1) 則不可能振蕩； (2) 產生振蕩，但輸出波形明顯失真； (3) 產生振蕩。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3.1.4 RC橋式正弦波振蕩電路RC橋式正弦波振蕩電路的特征是以集成運放為中心，以RC串并聯(lián)網絡為選頻網絡和正反饋網絡，其電路如圖3.1.2所示 圖3.1.2 RC橋式正弦振蕩電路 電路的起振條件：Rf 2R1 振蕩頻率：f=1/2RC可通過調整R和C的數值來改變振蕩頻率，要想提高振蕩頻率，則要減小R和C或減少兩者之一。3.2電壓比較器的工作原理3.2.1 單限比較器 圖3.2.1過零

7、比較器將集成運放的一個輸入端接地，另一個輸入端接輸入信號，就構成過零比較器，其電路和電壓傳輸特性如圖3.2.1所示。當UI > 0 時，輸出一個低電平 UO UOM； UI < 0 時 ，輸出一個高電平，UO UOM 。3.2.2 滯回比較器圖3.2.2滯回比較器該電路的作用是將正弦信號轉變成方波信號，其傳輸特性曲線如圖3.2.2（b）所示。電壓比較器輸出電壓：Uo= ±UZ UP=±R1/(R1+R2)Uz令UN=UP求出的UI就是閥值電壓，因此得出±UT= ±R1/(R1+R2)Uz假設UI<-UT，則UN小于Up，因而UO+UZ，

8、UP=+UT。只有當輸人電壓UI增大到+UT，再增大一個無窮小量時，輸出電壓UO才會從高電平+UZ躍變?yōu)?UZ。同理，假設UI>+UT，那么UN大于UP，因而UO-UZ，UP-UT。只有當輸人電壓UI減小到-UT，再減小一個無窮小量時，輸出電壓UO才會從低電平-UZ躍變?yōu)楦唠娖?UZ。因此，圖（a）所示電路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-UTUI+UT時，UO可能是-UZ，也可能是+UZ。這取決于UI是從小于-UT，還是從大于+UT變化而來的，即曲線具有方向性，如圖（b)所示。實際上，由于集成運放的開環(huán)差模增益不是無窮大，只有當它的差模輸人電壓足夠大時，輸出電

9、壓UO才為±UZ。UI在從+UT變?yōu)?UT或從-UT變?yōu)?UT的過程中，隨著UI的變化，將經過線性區(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的轉換速度。例如，當UO+UZ、UP=+UT時，只要UI略大于+UT足以引起UO的下降，即會產生如下的正反饋過程：UO的下降導致UP下降，而UP的下降又使得UO進一步下降，反饋的結果使UO迅速變?yōu)閁T，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。3.3積分電路的工作原理電路組成:用積分電路將正弦波轉換為方波其電路如圖3.3.1所示 圖3.3.1 積分電路當輸入信號為方波時，其輸出信號為三角波，其傳輸特性曲線如圖3.3.2示：圖3.3.2方波-

10、三角波四 系統(tǒng)中各模塊電路的設計4.1 正弦波發(fā)生電路設計 頻率可調的RC橋式振蕩電路如圖4.1.1所示 圖4.1.1 振蕩頻率可調的RC橋式正弦振蕩電路4.1.1 頻率調節(jié)電路產生正弦波的頻率為：f= f=1/2RC。可通過改變電位器的阻值來改變電路的頻率，還應設置多個電容，每個電容對應一個檔位，輸出一定頻率范圍內的波形。當C2=C5=0.001uF時若電位器R11和R12同時調到最大，則1.51KHZ若電位器R11和R12同時調到最零，則31.2KHZ 當C1=C4=0.01uF時若電位器R11和R12同時調到最大，則151HZ若電位器R11和R12同時調到最零，則 3.12KHZ同理，當

11、電容為0.1uF、1uF、10uF、100uF時，頻率的調節(jié)范圍為：15.1HZ312HZ、1.51HZ31.2HZ、0.15HZ3.12HZ、0.015HZ0.312HZ。 由上述個式可知，相鄰檔位的頻率相互覆蓋，可以實現(xiàn)頻率的連續(xù)可調。4.1.2 幅值調節(jié) 可通過調節(jié)電路中電位器R4阻值的大小來改變輸出波形的幅度，與R4串聯(lián)的兩個正反倒向的二極管，起到穩(wěn)定輸出電壓幅值的作用。正弦波振蕩電路仿真輸出波形如圖4.1.2所示：圖4.1.2 正弦波振蕩電路仿真波形4.2 正弦波轉換成方波電路設計圖4.2.1 正弦波-方波電路 該電路用的為過零比較器，圖中用到的穩(wěn)壓管起到穩(wěn)定方波幅值的作用，若所加為

12、2V穩(wěn)壓管，則輸出方波幅值為2V。電路仿真輸出波形如圖4.2.2所示圖4.2.2 正弦波轉換為方波電路仿真波形4.3 方波轉換成三角波電路設計 圖4.3.1 方波-三角波電路該電路為一個積分電路，通過此積分電路將方波轉換為三角波輸出電壓：U0=-+u0(t1) 可通過改變滑動變阻的阻值來改變三角波的峰峰值。仿真輸出波形如圖4.3.2所示 圖4.3.2 方波-三角波仿真輸出波形4.4系統(tǒng)總電路圖系統(tǒng)總電路圖為： 圖4.1.1 系統(tǒng)總電路圖圖4.1.2 系統(tǒng)電路仿真輸出波形五 電路調試電路分為三部分，第一部分為RC橋式正弦振蕩電路，其功能是利用RC振蕩產生特定頻率的正弦波；第二部分為電壓比較器電路

13、，其功能是將正弦波轉成方波；第三部分為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉成三角波；5.1 RC正弦波振蕩電路調試確定好電路和元件參數后，先進行元件的排版和布局，然后采取分塊焊接的方法焊接電路。先完成RC正弦波振蕩電路部分，完成后，接通電源，用示波器觀察是否有正弦波產生。一開始沒有正弦波產生，首先對電路進行了檢查，是否存在短路、虛焊等問題；在排除電路和焊接問題后，檢查電源是否連接錯誤。最后得出的結果是，連接電源時，沒有將“地”連接上，待連上“地”后，接上示波器，觀察到了正弦波。波形出來后，調節(jié)電位器，觀察其頻率是否能連續(xù)可調，正弦波幅值能否達到2V。5.2 電壓比較器電路調試正弦波出來后，接

14、著完成電壓比較器電路部分，用示波器觀察，能觀察到方波，但方波的幅值過大，沒有達到要求的2V，在排除第一部分正弦波振蕩電路的問題后，發(fā)現(xiàn)電壓比較器中選用的穩(wěn)壓管穩(wěn)幅電壓過大，換上2V穩(wěn)壓管后，方波幅值達到了要求。問題解決后，繼續(xù)完成下一部分。5.3 積分電路調試 方波部分完成后，繼續(xù)完成最后一部分積分電路，波形出來后，接著進行整個電路系統(tǒng)的調試。5.4 系統(tǒng)電路調試 整個電路完成后，對電路進行整體的測試，若波形存在失真，則應進一步完善，將波形調到最佳狀態(tài)，所有波形出來后，則完成了設計的基本要求，接下來完成提高要求。第一步、對RC正弦波振蕩電路進行調節(jié)，調節(jié)正弦波振蕩電路放大環(huán)節(jié)的電位器，正弦波幅

15、值能達到設計要求的正負2V，同時調節(jié)RC選頻網絡電位器的阻值（保持兩電位器阻值相等），其頻率能實現(xiàn)連續(xù)可調。RC正弦波振蕩電路部分完成了設計要求。第二步、對電壓放大器進行調節(jié)，方波幅值能達到2V，方波部分達到設計要求。第三步、調節(jié)積分電路電位器的阻值，使三角波峰峰值達到2V。經過一段時間的調節(jié)后，基本完成了設計的所有要求。六 心得體會此次課程設計是我第一參與電子作品的設計和制作，從查資料、到設計電路、再到仿真，完成焊接，調試電路，感覺收獲很多。電子設計不僅僅是簡單的從書上找一個電路圖，然后焊接起來。開始設計時，應首先準備多種方案，然后進行比較論證，根據現(xiàn)有條件，選擇最佳方案；方案確定后，再完成

16、電路的焊接，焊接前應注意元件的布局，盡可能使電路變得美觀，電路完成后，根據電路模塊化的原則，將電路分為三部分，分別進行調試。本次設計印象最深的是:電路模塊化理念。任何電子產品都不止一個電路，它是通過各個模塊組合起來的。因而在電路設計時，要注意電路模塊化理論。將本來非常復雜的電路分解成一個個簡單的單元電路，然后設計單元電路，單元電路設計起來就簡單多了。最后將每個單元電路連接起來便成了一個復雜的，具有特定功能的電路。這種設計電路的思想在設計大型電路時尤為突出。本次設計中遇到了不少困難，但在老師同學的幫助下、在自己的努力下，還是一個一個的將問題解決了！個人感覺收獲最大的就是學會了設計電路的和調試電路的一般方法。當然從這此次課設中也發(fā)現(xiàn)自己存在一些不足的地方，像動手方面還有些欠缺，以后要多實踐，多參加類似的訓練，同時還要加強理論知識的學習，只有良好的理論基礎，才能更好的指導實踐。參考文獻1、華成英模擬電子技術基本教程清華大學出版社，20102、鄧謙、劉清平電子技術實踐2南昌航空大學信息工程學院電子實踐中心，20103、王港元.電工電子實踐指導（第二版）.江