正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上 課程設(shè)計名稱： 電子課程設(shè)計 課程設(shè)計題目：設(shè)計制作一個產(chǎn)生正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器 學(xué) 院 名 稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)： 班級：學(xué)號： 姓名： 評分： 教師： 20 13 20 14 學(xué)年 第 1 學(xué)期第 1 周 3 周 題目設(shè)計制作一個產(chǎn)生正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)容及要求：設(shè)計制作一個產(chǎn)生正弦波-方波-三角波函數(shù)轉(zhuǎn)換器，要求實現(xiàn)：（1） 輸出波形頻率范圍為0.2KHz20kHz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)；進度安排：1.根據(jù)任務(wù)要求，查閱相關(guān)資料，完成設(shè)計前的前

2、期工作：2天 2.根據(jù)資料，進行方案設(shè)計并對比論證，完成參數(shù)計算：2.5天 3.領(lǐng)取元器件，連接電路，完成電路調(diào)試：3 4.提交報告：12周注：1、此表一組一表二份，課程設(shè)計小組組長一份；任課教師授課時自帶一份備查。2、課程設(shè)計結(jié)束后與“課程設(shè)計小結(jié)”、“學(xué)生成績單”一并交院教務(wù)存檔。摘 要在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號波形發(fā)生器。用三角波，方波發(fā)生電路實現(xiàn)的信號波形發(fā)生器與其它信號波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標，都有了很大的提高。因此，本設(shè)計意在用LM324放大器設(shè)計一個產(chǎn)生正弦波-方波-三角波的

3、函數(shù)轉(zhuǎn)換器。為了使這三種波形實現(xiàn)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。從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計。關(guān)鍵字：放大器、波形轉(zhuǎn)換、同相滯回比較、電路積分電路、濾波電路目錄前言1第一章 設(shè)計要求21.1 設(shè)計內(nèi)容及要求2第二章 系統(tǒng)組成及原理32.1 方案一32.2 方案二3第三章 單元電路設(shè)計與計算53.1 單元電路設(shè)計53.1.1 正弦波發(fā)生器實驗原理53.1.2 正弦波方波轉(zhuǎn)換器實驗原理63.1.3 方波三角波轉(zhuǎn)換器實驗原理83.1.4 直流電源電路原理93.2 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路113.2.1

4、直流電源的參數(shù)設(shè)計113.2.2 RC正弦波振蕩電路的參數(shù)設(shè)計 113.2.3 方波電路的參數(shù)設(shè)計113.2.4 三角波電路的參數(shù)設(shè)計11第四章 安裝與調(diào)試12第五章 性能測試及分析13第六章 結(jié)論與心得146.1 實驗結(jié)論146.2 心得體會14參考文獻15附錄161 總原理圖 162 芯片管腳圖 17 3 原件清單 17專心-專注-專業(yè)前 言 現(xiàn)今世界中電子技術(shù)與電子產(chǎn)品的應(yīng)用越加廣泛，人們對電子技術(shù)的要求也越來越高。因此如何根據(jù)實際要求設(shè)計出簡便實用的電子技術(shù)物品便顯得尤為重要。靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。能將簡單的易獲取的信號轉(zhuǎn)換為自己所需的復(fù)雜

5、信號是一項必不可少的技術(shù)。我們有必要做好這相關(guān)方面的研究，為被測電路提供所需要的信號及各種波形，以便完成各種相關(guān)試驗。信號源在各種試驗應(yīng)用和實驗測試處理中，仿真各種測試信號，提供給被測電路，用來滿足實驗的各種要求。本文所設(shè)計的波形發(fā)生器就是信號源的一種，采用集成運算放大器、電阻和電容組成簡單的電路，實現(xiàn)波形的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換。第一章、設(shè)計要求1.1 設(shè)計內(nèi)容及要求1.輸出波形頻率范圍為0.2KHz20kHz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)；第二章、系統(tǒng)的組成及工作原理設(shè)計要求為實現(xiàn)正弦波-方波-三角波之間的轉(zhuǎn)換。正弦波可以通過R

6、C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。2.1方案一方案一電路方框圖如圖2.1所示。滯回比較器LC正弦波振蕩電路積分電路圖2.1 方案一方框圖 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=f0時，放大電路的放大倍數(shù)數(shù)值最大，而其余頻率的信號均被衰減到零；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。2.2 方案二方案二電路方框圖如圖

7、2.2所示。滯回比較器RC正弦波發(fā)生電路積分電路圖2.2方案二方框圖方案二仿真電路如圖2.3所示。圖2.3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N1與N2之間耦合緊密，振幅大；當(dāng)C采用可變電容時，可以獲得調(diào)節(jié)范圍較寬的振蕩頻率，最高頻率可達幾十兆赫茲。由于反饋電壓取自電感，對高頻信號具有較大的電抗，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波形要求不高的設(shè)備之中，如高頻加熱器、接受機的本機振蕩電路等。另外由于LC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，必要時還應(yīng)采用共基電路。因此對于器材的選擇及焊接的要求提

8、高，并且器材總價格也增加了。 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)負反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負載能力強，輸出電壓失真小等優(yōu)點，因此獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。另外對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！在器材總價格方面，相比第一種方案更為實惠。綜合對比兩種方案，選擇第二種方案。 第三章 單元電路設(shè)計與參數(shù)計算3.1單元電路設(shè)計3.1.1正弦波發(fā)生器實驗原理（1）RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)。R1=R2=R，C1=C2=C， ，令 則：得 RC 串并聯(lián)電路的幅頻特性為

9、：相頻特性為： 最大，jF = 0。（2）振蕩頻率與起振條件1）振蕩頻率：2）起振條件：當(dāng)f = f0 時， 由振蕩條件知： 所以起振條件為：同相比例運放的電壓放大倍數(shù)為：即要求：3）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：反饋電阻的熱敏RF采用負溫度系數(shù)電阻，R1采用正溫系數(shù)的熱敏電阻，均可實現(xiàn)自動穩(wěn)幅。或者在RF回路中串聯(lián)二個并聯(lián)的二極管也可以自動穩(wěn)幅。正弦波發(fā)生器仿真電路圖3.1所示。圖3.1正弦波發(fā)生器仿真電路圖3.1.2正弦波方波轉(zhuǎn)換器實驗原理正弦波方波轉(zhuǎn)換器方框圖如圖3.2所示。滯回比較器正弦波發(fā)生電路方波圖3.2 正弦波方波轉(zhuǎn)換器方框圖（1）電路組成： 1）滯回比較器：集成運方、R11、R8. 圖3.3為一種

10、電壓比較器電路，雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，R3起限流作用，R2和R1構(gòu)成正反饋，運算放大器當(dāng)up>un時工作在正飽和區(qū)，而當(dāng)un>up時工作在負飽和區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入電壓ui小于某一負值電壓時，輸出電壓uo= -UZ；當(dāng)輸入電壓ui大于某一電壓時，uo= +UZ。又由于“虛斷”、“虛短”up=un=0，由此可確定出翻轉(zhuǎn)時的輸入電壓。up用ui和uo表示，有=un=0得此時的輸入電壓Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖3.4所示。設(shè)輸入電壓初始值小于-Uth，此時uo= -UZ ；增大ui，當(dāng)ui=Uth時，運放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進入正飽和區(qū)。如果初始時刻運放工作

11、在正飽和區(qū)，減小ui ，當(dāng)ui= -Uth時，運放則開始進入負飽和區(qū)。 圖3.3電壓比較器電路 圖3.4 滯回電壓比較器的直流傳遞特性（2）正弦波方波轉(zhuǎn)換仿真電路圖正弦波方波轉(zhuǎn)換仿真電路如圖3.5所示。圖3.5 正弦波方波轉(zhuǎn)換仿真電路圖3.1.3方波三角波轉(zhuǎn)換器實驗原理方波三角波轉(zhuǎn)換器方框圖如圖3.6所示。積分電路方波發(fā)生電路三角波圖3.6 方波三角波轉(zhuǎn)換器方框圖（1）積分運算電路 如圖3.7所示。圖3.7積分運算電路由于“虛地”，Uo+Uc=0,故： Uo=-Uc由于“虛斷”，i1=iC, 故： Ui=i1R=icR得：； = RC（積分時間常數(shù)）由上式可知，利用積分電路可以實現(xiàn)方波三角波的

12、波形變換。（2）正、反向積分時間常數(shù)可調(diào)電路正、反向積分時間常數(shù)可調(diào)電路如圖3.8所示。圖3.8正、反向積分時間常數(shù)可調(diào)電路3.1.4直流電源電路原理直流電源電路方框圖如圖3.9所示。整流電路電源變壓器濾波電路穩(wěn)壓電路圖3.9直流電源電路方框圖（1）整流電路：將交流變直流的過程。設(shè)變壓器副邊電壓U2=,U2為其有效值。 則：輸出電壓的平均值 輸出電流的平均值 IO(AV)=0.9U2/RL脈動系數(shù) S=2/3=0.67二極管的選擇最大鎮(zhèn)流電流IF>1.1最高反向工作電壓URM>1.1（2）濾波電路：將脈動的直流電壓變?yōu)槠交闹绷麟妷?。按照三角形相似關(guān)系可得： UO(AV)=U2(1

13、-T/4RLC) 當(dāng)RLC=(35)T/2時，UO(AV) =1.2U2脈動系數(shù)為S=（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行補償，來達到穩(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，又與穩(wěn)壓管相配合以達到穩(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UI的選擇： 根據(jù)經(jīng)驗，一般選取UI=(23)UO UI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; IZmax-IZmin>

14、ILmax-ILmin;穩(wěn)壓管最大穩(wěn)定電流IZM>=ILmax+ILmin3）限流電阻R的選擇： 通過查手冊可知：IZMIN<=IDZ<=IZMAX; 計算可知:=（UImin-UZ)/(IZ+ILmax） Rmin=(UImax-UZ)/(IZM+ILmin)本實驗采用集成穩(wěn)壓器電路，其包括調(diào)整管、保護電路、比較放大電路、基準電壓電路、采樣電路、電流源電路。4）直流電源電路仿真電路圖如圖3.10所示。圖3.10直流電源電路仿真電路圖3.2 參數(shù)計算3.2.1 直流電源的參數(shù)設(shè)計提供的是220V的交流電源要變?yōu)檎?2V直流電， 變壓器用 220V15V規(guī)格的，由于整流電路中

15、用的二極管最大鎮(zhèn)流電流IF>1.1，最高反向工作電壓URM>=1.1,因此選用二極管型號為1N4007即可。濾波電路中RLC=(35)T/2時濾波效果好，因此大電容可選用耐壓值為35V，3300uf的電容兩個。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12V。另外加上一些濾波電容，即：C3=C4=220uf,C5=C6=220nf,C7=C8=100nf.為了顯示輸出電壓“與否”，兩邊可分別用二極管串聯(lián)一個1K的電阻來顯示。3.2.2 RC正弦波振蕩電路的參數(shù)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求輸出波形頻率范圍為0.2KHz20kHz且連續(xù)可調(diào)，正弦波幅值

16、為±2V，f0=1/(2RC)，由于器材的原因，取C=220nf,則R=1/2f0C,解之可得，R的取值范圍0.0369K3.69K，因此RC選頻網(wǎng)絡(luò)用兩個5K電位器和兩個220nf的電容組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。對于電壓幅值2V，可以通過R310K的電位器和R110K的電阻調(diào)節(jié)而得到。3.2.3.方波電路的參數(shù)設(shè)計根據(jù)設(shè)計要求方波幅值為2V，因此穩(wěn)壓二極管可選用兩個穩(wěn)壓為3.3V的。3.3.4 三角波電路的參數(shù)設(shè)計由于是方波三角波轉(zhuǎn)換電路，因此在第二個集成塊的輸出端加上個限流阻R5=2K,根據(jù)設(shè)計要求鋸齒波的峰峰值為2V，且占空比可調(diào)。Uo=-Uz(t1-t0)+UO(t0) 當(dāng)Uo=Uz(

17、t2-t1)+UO(t1)T= ,取R9、R5為10K的電位器，R8為50K電位器。解之可得：R6=282/T=282f=0.0968K9.68K，因此取R6=10K，積分電路中C=220nf,改變占空比的二極管可選用2個1N4007,補償電阻R12可選取10K，以保證集成運放輸入級差分放大電路的對稱性。 第四章 安裝與調(diào)試1. 直流穩(wěn)壓電源（1）按所設(shè)計得電路圖在電路板上做好布局，準備焊接電路板。（2）用萬用表測得輸出為+12.0V和-12.06V，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 （1）按所設(shè)計得電路圖在電路板上做好布局，準

18、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)，計算峰峰值； （4）調(diào)節(jié)各個電位器，用函數(shù)發(fā)生器的輸入端測出各個波形的頻率范圍，并記錄。第五章 性能測試與分析1.直流電源部分用萬用表測得輸出為+12.0V和-12.06V，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12.0V；LM7912輸出-12.06V。穩(wěn)壓塊電勢差：LM7812為8.9V，LM7912為8.6V。（2）誤差計算：LM7812：（12-12）/12100 %=0%。 LM7912：|12-12.06|/1210

19、0 %=0.001%。2.波形轉(zhuǎn)換部分經(jīng)“起振”調(diào)試后用示波器可測得各輸出端的波形，并記錄。用示波器讀出格數(shù)，計算峰峰值；然后用數(shù)字毫伏表讀出其有效值，并記錄。調(diào)節(jié)各個電位器，用函數(shù)發(fā)生器的輸入端測出各個波形的頻率范圍，并記錄。（1）正弦波（幅值可調(diào)、頻率可調(diào)）峰-峰值：Up-p=23.4=6.8V 有效值為：U=6.8/2=2.4V頻率調(diào)節(jié)范圍為：225.7HZ14.7KHZ（2）方波峰-峰值：Up-p=22V=4V 頻率調(diào)節(jié)范圍為：225.7HZ14.7KHZ 相對誤差：|2-2|/2100%=0（3）三角波（占空比可調(diào)） 峰-峰值：Up-p=12V=2V 頻率調(diào)節(jié)范圍為：225.7HZ1

20、4.7KHZ相對誤差：|2-2|/2100%=03.誤差分析：（1）直流電源輸出不是標準的正負12V。（2）集成塊不是理想的集成塊；（3）對電位器進行調(diào)節(jié)時，由于是手動控制，難以準確的到達所需的阻值；（4）電路之間的連線不是理想的，有電阻，使實驗存在誤差；第六章 結(jié)論與心得6.1實驗結(jié)論：（1）實現(xiàn)本次實驗的方法不唯一，但相較而言，方案一所用的元器件最少，提高了實驗電路的穩(wěn)定性，且實驗的調(diào)節(jié)方法也很簡單，做到了節(jié)約、簡便、迅速的基本要求。（2）通過調(diào)節(jié)10k電位器，可以改變正弦波的幅值；（3）方波的幅值由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值決定。（4）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。（5）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)負反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)。（6）在調(diào)試過程中，采取逐級調(diào)試，逐級校準的方法得到試