波形发生器的整体电路设计

目录第一章绪论-1-1绪论………………………………...-1-第二章设计方案-1-2.1方案………………………………-1-2.2方框图…………………………….-2-2.3工作过程………………………….-2-第三章波形发生器的基本原理-2-3.1波形发生器的组成………………-2-3.2正弦波发生器……………………-2-3.3方波发生器………………………-4-3.4三角波发生器……………………-6-3.5直流稳压电源……………………-8-第四章波形发生器的整体电路设计-10-4.1整体电路………………………..-10-4.2原理……………………………..-11-参考文献-11-附录：器件清单-11-辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-1-第一章绪论1绪论函数信号发生器是一种能够产生多种波形，通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形，这种信号发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。一般的传统发生器都是采用的谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。但也可以根据频率合成技术来获得所需频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，被称为合成信号发生器。随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制D/A,就可以得到各种简单波形。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。在测试与测量技术过程中，常用到已知函数波形的数字化生成，它在许多与测量有关的领域有着不可替代的作用。例如，数字化仿真，常被用于算法研究、模型研究、系统辨识或以蒙特卡罗法搜索模型与算法。任意波形发生器出现以后，给人们提供的不仅是一个通用的基础技术平台，而是在人们面前打开了通往无限宽广空间的一扇门，使得人们对于信号波形的掌握与应用再也不必局限于简单的正弦波、方波等几种有限的波形了，它可以按照人们提供的测量序列产生出几乎任意形状的连续波形信号。第二章设计方案2.1方案用RC串—并联正弦波振荡器（文氏电桥振荡器）产生正弦振荡，然后通过比较器得到方波，方波积分可的三角波。辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-2-2.2方框图2.3工作过程RC串—并联正弦波振荡器产生正弦波输出，采用RC串并联网络作为选频网络和反馈网络，改变RC的数值，可得到不同频率的正弦波信号输出。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。运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。第三章波形发生器的基本原理3.1波形发生器的组成波形发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用运放及分离元件构成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用处不同，有产生三种或多种波形的波形发生器，本课题介绍方波、三角波、正弦波波形发生器的制作方法。波形发生器是有基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。3.2正弦波发生器又称RC串并联正弦波振荡器或称文氏电桥振荡器，如图所示，其中A放大文氏电桥振荡器频率选择控制方波形成电路直流电源三角波形成电路三角波方波正弦波辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-3-器由相同运放组成，因此)121(RRVdVoAvF网络由RC串并联网络组成，由于运放的输入阻抗Ri很大，输出阻抗Ro很小，其中对F网络影响可以忽略不计，从图中可得1)1(3)1(3)1)(1(11122wCCwjRAvRAvFvwCCwjRRRjwCRjwRCRjwRCRjwCRjwRCRVoVfFvRR以上分式分母的虚部必须为零，即wCCwR12=0振荡频率w=1/RC上式的实部为1，即13RAvR起振条件Av=3对于同向运放，Av=1+R2/R1必须满足R2=3R1由于要求正弦波频率w=0.02Hz~~1KHz。因为w=1/RC，所以RC=0.001~~50，辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-4-电阻箱R可调的最大阻值为至少50KΩ，可调的最小阻值应小于1Ω。电容C应为1000μF。因为必须满足R2=3R1，所以R2为3KΩ，R1为1KΩ。RC串并联振荡器的起振条件为Av=3，即要求放大器的电压增益大于等于3，略大于3的原因是由于电路中的各种损耗，使幅度下降给予补偿。但Av比3大的过多会导致输出正弦波形变差。3.3方波发生器如图所示，用运算放大器协会比较和R、C积分电路组成的，输出电压经R、C反馈到运放的反向输出端，因此积分电路期延迟和负反馈作用。方波发生器电路原理图参看所示电路图，设在接通电源时刻，电容连端电压Uc=0，输出电压Uc=Uz，则加到运放同相输出端的电压为Up=212RRRUz=FUz式中，F=212RRR。此时Uo=Uz通过R1想C充电，使运放反相输入电压Un=Uc，由零逐渐上升。在UnUp以前，Uo=Uz保持不变。在t=t1时刻，Un上升略高于Up，Uo辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-5-由高电平跳到低电平，即变为-Uz。Uo=-Uz时，Up=-FUz，同时Uo=-Uz通过R向C充电，是运放反相输入端电压Un=Uc由零逐渐上升。在UoUp以前，Uo=-Uz保持不变。在t=t2时刻，Un下降到略小于Up，Uo由低电平跳到高电平，即变为Uz，又回到原始状态。如此周而复始，循环往复，因此产生震荡波，输出方波。根据上边分析，可以画出波形图由波形可知，Uc从T1时刻的RzUz/(R1+R2)=FUz下降到T2时刻的-FUz，再上升到T3时刻的FUz，所需的时间就是一个振荡周期To在T1到T2这段时间，Uc的变化规律是简单的RC电路充放电规律，其常数为RC，初始值为FUz（T1时刻），终了值为-Uz(t→∞)，故Uc=-Uz+[FUz-(-Uz)]eRCtt/)1(在t=t2时，Uc=-FUz,代入上式后t2-t1=RClnFF11=RCln(1+122RR)同样可求的t3-t2=t2-t1=RCln(1+122RR)由于高低电平所占时间相等，故Uo是方波。其震荡周期为T=t3-t1=2RCln(1+122RR)选取适当的R1、R2值，使F=R2/(R1+2)=0.47，则T=2RC，于是振荡频率为：辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-6-RCTf2110因为由于要求正弦波频率f=0.02Hz~~1KHz。因为f=1/2RC，所以RC=0.0005~~25，电阻箱R可调的最大阻值为至少50KΩ，可调的最小阻值应小于1Ω。电容C应为500μF。因为在峰值时Uc=±Uz且要求输出方波为±10V所以稳压管应选择IN4740型号。3.4三角波发生器根据RC积分电路输入和输出信号波形的关系可知，当RC积分电路的输入信号为方波时，输出信号就是三角波，由此可见，利用方波信号发生器和RC积分电路就可以组成三角波信号发生器。三角波信号发生器如图所示。根据上图可以看出在t=0时，比较器A1输出电压为高电平，电容两端的电压为零，即Up1略低于Uo1(0)=Uz,Uc(0)=0,则积分电路输出电压。此时电容被充电，显然tCRUzUzdtCRtUot441)1(0于是Uo线性下降，Up1也下降，直到t=t1时，Up1略低于Un1(Un1=0)，即Up1略低于零时，Uo1从Uz突然跳到-Uz，同时Up1也跳到更低的值。在t=t1前的一瞬间，Up1=0,Uo1=Uz，从而流过R1和R2的电流相等，则辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-7--Uo(t1)/R1=Uz/R2，故而UzRRtUo21)1(t=t1后，由于Uo1=-Uz，故电容放电，其两端电压)1(4)1()(410ttCRUztuCdtUzCRUctUzRRtUotUc21)1()1()1(421ttCRUzUzRRUcUo于是线性上升，也上升。直到时，略大于零，Uo1从Uz突然跳到-Uz。可见，在t=t2前的一瞬间，Up1=0,Uo1=-Uz，从而流过R1和R2的电流相等，则-Uo(t1)/R1=Uz/R2，故而UzRRtUo21)(在t=t2以后电路周而复始，循环往复，形成震荡。根据分析刻画出其中Uo1为方波，Uo为三角波。Uo之所以为三角波，是由于电容充放电的时间常数相等，积分电路输出电压Uo上升和下降的幅度和时间相等，上升和下t0Uo1t0Uo辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-8-降的斜率的绝对值也相等。显然，三角波Uo峰值为UzRRUom12下面求振荡周期。由于t2-t1=T/2，而当t1=t=t2时有2414)12(221)12(421)2()1(421RCRRttTUzRRttCRUzUzRRtUottCRUzUzRRUo则可以在调整三角波电路时，先调整R1或R2，使其峰值达到C所需要的值，然后再调整R4或C，使频率f=1/T能满足要求。因为在峰值时Uc=R2/R1±Uz且要求输出方波为±10V所以稳压管应选择IN4740型号，R1为2KΩ，R2为1KΩ。因为由于要求正弦波频率f=0.02Hz~~1KHz。因为f=R2/4R1R4，所以电阻箱R4可调的最大阻值为至少50KΩ，可调的最小阻值应小于1Ω。电容C应为125μF。3.5直流稳压电源直流稳压电源是一种将220V工频交流电转化成稳压输出的直流电压的装置，他需要变压、整流、滤波、稳压四个环节完成。整流滤波稳压负载工频交流脉动直流直流辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-9-直流电源输出电路如下图所示根据原理设计图所需要的是12V稳压电源，选择的集成三端稳压器为7812,。其中C1为2000μf,C2C3为0.33μF，C4C5为0.1μF，C6C7为1000μF。电容D2D3D4D5用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激振荡和抑制电路引入的高频干扰，D6D7是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。1234D1~D4BRIDGE1TrTRANS1DIN4001DIN4001132VVGNDINOUT78L12132VVGNDINOUT79L12GND220V/50Hz0C12000uFC20.33uFC30.33uFC40.1uFC50.1uFC61000uFC71000uF辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-10-第四章波形发生器的整体电路设计4.1整体电路78M1278M12方波三角波正弦波辽宁工业大学课程设计说明书（论文）-11-4.2原理RC串—并联正弦波振荡器产生正弦波输出，采用RC串并联网络作为选频网络和反馈网络，改变RC的数值，可得到不同频率的正弦波信号输出。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。运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。参考文献【1】康华光，电子技术基础模电部分（第五版）。高等教育出版社，2006.1【2】辽宁工业大学电子信息工程教研室，模拟电子技术基础学习指导。沈阳：东北大学出版社2007.3【3】多种波形发生器的设计-毕业设计学位论文范文模板参考资料。2011附录：器件清单集成三端稳压器78M12型号（2个）稳压管应选择IN4740型号（4个）硅二极管选择2CZ57A~X型号（3个）单相桥式整流桥RS507型号(1个)运算放大器LF358型号（4个）各种型号导线、电阻、电容（若干）