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文檔簡介

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

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