多种波形发生器-设计论文

11《电子技术》课程设计说明书题目名称：多种波形发生器的设计姓名：xxx学号：xxx班级：xxx指导教师：xxx2013年1月4日22摘要波形发生器是一种能够产生大量标准信号和用户定义信号，具有高精度、可重复性、易操作性、对频率、幅值、相移、波形进行动态及时的控制的一类新型信号源。本设计的设计方案是把滞回比较器和积分器首尾相接组成一个正反馈闭环系统，则比较器输出的方波经过积分器可得到三角波，三角波又触发比较器自动翻转形成法波；三角波—正弦波的转换电路主要由差分放大电路来完成，差分放大电路具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效抑制零点漂移，因此可以将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。关键词：信号源；滞回比较器；积分器；波形发生器多种波形发生器的设计背景波形发生器是随着众多领域对于复杂的、可由用户定义的测试波形的需要而形成和发展起来的，它的主要特点是可以产生任何一种特殊波形，输出信号的频率、电平以及平滑低通滤波的截至频率也可以作到程序设置，因此在机械性能分析、雷达和导航、自动测试系统等方面得到广泛的应用。而对AWG的控制、数据传输、输出信号的频率和电平设置都可以通过微机打印口在EPP工作模式下设计完成。这样不仅具有设计简单，占用微机资源较少的优点，而且操作简单，使用方便，易于硬件升级。波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，具有高精度、可重复性、易操作性、连续的相位变换和频率稳定性，还可以对频率、幅值、相移、波形进行动态及时的控制。随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新型信号源。33目录1.摘要………………………………………………………………21.设计目的…………………………………………………………42.设计任务、要求及设计内容………………………………………42.1任务………………………………………………………42.2要求………………………………………………………42.3设计方案………………………………………………………53.多种波形发生器原理电路设计……………………………………53.1各方案原理框图及论证………………………………………53.2电路图和接线图及工作原理……………………………………63.3各部分电路设计…………………………………………………83.4电路的参数选择及计算……………………………………………133.5电路仿真………………………………………………………153.6系统仿真结果、数据分析和处理结果、报告………………………173.7方波---三角波发生电路的实验结果………………………………193.8三角波---正弦波发转换电路的实验结果……………………………193.9实测电路波形、误差分析及改进方法……………………………204.仪器仪表明细清单…………………………………………………205.总结……………………………………………………………216.主要参考文献……………………………………………………2144一、设计目的（1）对波形的产生及与变换电路有关的电子电路知识有大致的理解。（2）能对多种波形信号输出的波形发生器有一定的认识，知道其功用。（3）通过平日的学习，找到正弦波等振荡电路的振荡条件。（4）学会使用EDA软件Multisim对电子电路进行仿真设计，并准确画出框图（5）学习波形产生、变换电路的应用及设计方法以及主要技术指标的测试方法。（6）提高综合运用所学的理论知识独立分析和解决问题的能力，学会撰写课程设计总结报告；培养严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。二、设计任务、要求及设计内容2.1任务设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。2.2要求2.2.1技术要求（1）通过发挥自己的创造性，有所发挥，并力求设计方案凝练可行、思路独特、效果良好：（2）输出的各种波形工作频率范围0.02Hz~20kHz连续可调；（3）正弦波幅值V10，失真度小于1.5%；（4）方波幅值V10；（5）三角波峰—峰值20V；（6）设计电路所需的直流电源；（7）用EDA软件设计；2.2.2设计要求（1）分析设计要求，明确性能指标。构思出各种总体方案，绘制结构框图。（2）确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、并考虑器件的来源，敲定可行方案。（3）设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设计。（4）组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。552.3设计方案波形产生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件获得所要求的波形信号输出。波形产生电路的关键部分是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。具体设计可参考以下思路。①用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过变换电路得方波输出（例如用施密特触发器），用积分电路将方波变换成三角波或锯齿波输出；②利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成三角波输出，用折线近似法将三角波变换成正弦波输出；③用多谐振荡器产方波输出，方波经滤波电路可得正弦波输出，方波经积分电路可得三角波输出；④利用单片函数发生器568038，集成振荡器E1648及集成定时器555/556等可灵活地组成各种波形产生电路。三、多种波形发生器原理电路设计3.1各方案原理框图及论证（1）方案一，框图如下图1所示：文氏桥振荡器直流电源三角波形成电路频率选择控制方波形成电路正弦波信号方波信号三角波信号图1多种波形发生器原理框图（方案一）文氏桥振荡器（RC串-并联正弦振荡器）产生正弦波输出，其主要特点是采用RC串-并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率为f0=1/(2RC)，改变RC的值，可得到不同频率的正弦信号输出。为了使输出电压稳定，需采用稳幅措施。用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号变换成方波信号输出。用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波或锯齿波信号输出。（2）方案二，框图如下图2所示：66方波产生电路直流电源正弦波形成电路频率选择控制三角波形成电路正弦波信号方波信号三角波信号图2多种波形发生器原理框图（方案二）图中利用滞回比较器的开关作用和具有延时作用的RC反馈网络构成多谐振器，用积分电路将方波变换成三角波信号输出，采用二极管和电阻网络（折线近似法），将三角波的尖顶削圆，得到近似正弦波信号输出。（3）方案三，由5G8038组成的多量程、多功能信号发生器。其电路的输出信号频率可以在1Hz以下至几百KHz范围内调节，压控信号可内部选择，也可外接。输出信号可直接从2、3、9角高阻输出，也可以通过5G353低阻输出。论证：经分析方案一结构复杂，不易于调试，不能很快的得到电路波形。方案三可同时产生方波、三角波、正弦波并输出，该信号发生器电路简单、成本低廉、调整方便。555定时器接成多谐振荡器工作形式，C2为定时电容，C2的充电回路是R2→R3→RP→C2；C2的放电回路是C2→RP→R3→IC的7脚(放电管)。由于R3+RP》R2，所以充电时间常数与放电时间常数近似相等，由IC的3脚输出的是近似对称方波。按图所示元件参数，其频率为1KHZ左右，调节电位器RP可改变振荡器的频率。方波信号经R4、C5积分网络后，输出三角波。三角波再经R5、C6积分网络，输出近似的正弦波。C1是电源滤波电容。发光二极管VD用作电源。方案二操作简便，方案一同方案二比较，对于三角波的产生有一定的麻烦，因为题目需要频率为连续可调，但幅度稳定性难以达到要求；方案二由于采用运算放大器组成积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大为改善。由此，本设计采用方案二。能在简易环境下得到很清晰的波形。综上,选择方案二。3.2电路图和接线图及工作原理3.2.1图电路设计原理框图77图3函数发生器电路组成框图三角波-方波-正弦波函数发生器实验电路图：50%R10C3R112354U1R2R350%Rp1R450%Rp212354U2C1R17C412VVCCR5R6R7R8R9R11-12VVCC1R1250%R13C5C2R14总设计图：883.3各部分电路设计3.3.1方波发生电路的工作原理此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。设t=0时接通电源，有Vo1=-Vz经R4向C充电，使输出电压按线性规律增长。当Vo上升到门限电压Vt，使Vp=Vn=0时，比较器输出Vo1由-Vz上升到+Vz,同时门限电压下跳到Vt-值。以后Vo1=+Vz经R4和D、R6两支路向C反向充电，由于时间常数减小，Vo迅速下降到负值。当Vo下降到门限电压Vt-使Vp1=Vn1=0时，比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。如此周而复始，产生振荡。由于电容C的正向与反向充电时间常数不相等，输出波形Vo为锯齿波电压，Vo1为矩形波电压。直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。（1）电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需要的交流电压，并送给整流电路，变压器的变比由变压器的副边电压确定。（2）整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的直流电（3）滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，从而得到比较平滑的直流电压。（4）稳压电路：稳压电路的功能是使输出的直流电压稳定，不随交流电网电压和负载的变化而变化。整流电路常采用二极管单相全波整流电路，电路如图5-2-4所示。在u2的正半周内，二极管D1、D2导通，D3、D4截止；u2的负半周内，D3、D4导通，D1、D2截止。正负半周内部都有电流流过的负载电阻RL，且方向是一致的。在桥式整流电路中，每个二极管都只在半个周期内导电，所以流过每个二极管的平均电99流等于输出电流的平均值的一半，即电路中的每只二极管承受的最大反向电压为22U(U2是变压器副边电压有效值)。在设计中，常利用电容器两端的电压不能突变和流过电感器的电流不能突变的特点，将电容器和负载电容并联或电容器与负载电阻串联，以达到使输出波形基本平滑的目的。选择电容滤波电路后，直流输出电压：Uo1=(1.1～1.2)U2稳压电路可选集成三端稳压器电路模块。忽略二极管的正向电阻，其振荡周期；T=T1+T2=2R1R4C/R2+2R1(R4||R6)C=2R1R4C(R4+2R6)/R2(R4+R6)，当R6、D支路开路，电容C的正、反向充电时间常数相等时，此时锯齿波就变成三角波，从而电路也就变成了方波，三角波产生电路。振荡周期：T=4R1R4C/R23.3.2方波---三角波转换电路的工作原理图3.3方波—三角波产生电路mopURRRU2132T131242)(4ppRRCRRRT1010图3-2(a)图3–2(b)比较器的电压传输特性方波----三角波变换工作原理如下：若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+