多种波形发生器的设计与制作

课题三多种波形发生器的设计与制作方波、三角波、脉冲波、锯齿波等非正弦电振荡信号是仪器仪表、电子测量中最常用的波形，产生这些波形的方法较多。本课题要求设计的多种波形发生器是一种环形的波形发生器，方波、三角波、脉冲波、锯齿波互相依存。电路中应用到模拟电路中的积分电路、过零比较器、直流电平移位电路和锯齿波发生器等典型电路。通过对本课题的设计与制作，可进一步熟悉集成运算放大器的应用及电路的调试方法，提高对电子技术的开发应用能力。1、设计任务设计并制作一个环形的多种波形发生器，能同时产生方波、三角波、脉冲波和锯齿波，它们的时序关系及幅值要求如图3-3-1所示。图3-3-1波形图设计要求：⑴四种波形的周期及时序关系满足图3-3-1的要求，周期误差不超过%1。⑵四种波形的幅值要求如图3-3-1所示，幅值误差不超过%10。⑶只允许采用通用器件，如集成运放，选用F741。要求完成单元电路的选择及参数设计，系统调试方案的选取及综合调试。2、设计方案的选择由给定的四种波形的时序关系看：方波决定三角波，三角波决定脉冲波，脉冲波决定锯齿波，而锯齿波又决定方波。属于环形多种波形发生器，原理框图可用3-3-2表示。图3-3-2多种波形发生器的方框图仔细研究时序图可以看出，方波的电平突变发生在锯齿波过零时刻，当锯齿波的正程过零时，方波由高电平跳变为低电平，故方波发生电路可由锯齿波经一个反相型过零比较器来实现。三角波可由方波通过积分电路来实现，选用一个积分电路来完成。图中的uB电平显然上移了+1V，故在积分电路之后应接一个直流电平移位电路，才能获得符合要求的uB波形。脉冲波的电平突变发生在三角波uB的过零时刻，三角波由高电平下降至零电位时，脉冲波由高电平实跳为低电平，故可用一个同相型过零比较器来实现。锯齿波波形仍是脉冲波波形对时间的积分，只不过正程和逆程积分时常数不同，可利用二极管作为开关，组成一个锯齿波发生电路。由上，可进一步将图3-3-2的方框图进一步具体化，如图3-3-3所示。图3-3-3多种波形发生器实际框图器件选择，设计要求中规定只能选用通用器件，由于波形均有正、负电平，应选择由正、负电源供电的集成运放来完成，考虑到重复频率为100Hz(10ms),故选用通用型运放F741（F007）或四运放F324均可满足要求。本设计选用F741。其管脚排列及功能见附录三之三。3、单元电路参数设计（1）方波产生电路—反相型过零比较器选择电路如图3-3-4所示。图中，A1工作于开环，R1为运放输入端保护电阻取R1=10K，R2为稳压二极管的限流电阻，取值一般在（1—3）K之间，取R2=1K。因UA幅值为5V，故输出端接两只稳压二极管使输出高、低电平在5V左右，查晶体管手册，选用稳压二极管为2CW53（UZ=4.0~5.8V）两只。必要时可通过晶体管图示仪进行挑选，以满足幅值要求。图3-3-4反相型过零比较器电路（2）三角波产生电路—基本积分电路选择电路如图3-3-5所示，图中与C1并联的1M电阻主要是为了减小积分漂移，取值应大于R3。图3-3-5积分电路由波形图知，当uA为高电平5V，经过积分电路在5ms时间内，Bu应下降4V，故参数计算如下：由积分电路知：131CR*UA*2T=U′Bm,即131CR50.005=4w得R3C1=6.25103s取C1=0.1uF,则R3=62500取R3=62K，R4=R3=62KU′B的波形如图3-3-6。图3-3-6积分电路输出波形图（3）直流电平移位电路将图3-3-6的U′B波形与图3-3-1的UB波形比较，为了得到UB的波形，必须将U′B波形上移3V，由直流电平移位电路来实现，如图3-3-7所示。图3-3-7直流电平移位电路若取R5=10K,Rp1=10K时，A3的③脚为零电平，调Rp1活动端使RP1减小，电平上升。由于C2的隔直作用，只需将③脚电平设置在+1V，与U′B叠加。A3为电压跟随器，UB与③脚波形相同。由上，取R5=10K，RP1为10K电位器，C1取10uF。（4）脉冲波电路设计—同相型过零比较器选择电路如图3-3-8所示。图中，取R6=10K，R7=1K，当uB0V,A4的⑥脚输出高电平，D1、D2导通并钳位，若取两只硅二极管串取，可得uC=1.4V。若UB0,⑥脚输出低电平接近-Vcc，D1、D2截止，稳压管稳压为-5V。取稳压管为2CW53、二极管为2CP10。图3-3-8脉冲波形成电路（5）锯齿波发生器—积分电路由上所述，由于uD的正程和逆程斜率不同，即积分电路充、放电时常数不等。故对uC为高、低不同电平时，采用二极管隔离输入回路。如图3-3-9所示。图3-3-9锯齿波发生电路工作原理如下：当uC=1.4V0时，D3导通，D4截止，忽略二极管导通时的动态电阻，积分时常数为=R8C3，形成锯齿波的逆程。当uC=-5V0时，D3截止，D4导通。积分常数R9C3，形成锯齿波的逆程。电路参数计算：首先要算出脉冲波高电平和低电平的时间轴，由图3-3-1，uB由3V下降至0V的时间为uC高电平的半个周期。这时锯齿波uD由0V积分到-3V，若此时为t1,由相似三角形知识可以算得t1=3.75ms，同样可以算得uC由低电平变为高电平的时间t2为6.25ms,uC再次变为低电平时间为13.75ms,如图3-3-10所示。图3-3-10UC时序图取C3=1uF，则锯齿波正程有：391CRCU（6.25–3.75）103=6即61011PR52.5103=6由上及R9=20.83103取R9=20K锯齿波逆程：381CRUC（13.75–6.25）103=6即368105.74.11011R=6得R8=17.5×103取R8=18K由于同时只有一个电阻导通，故R10=18K（或20K），为了减小二极管死区电压，D3、D4直流压降要小，故D3、D4选锗二极管2AP10。4、总电路图将各单元电路串联，得到本课题的总电路图如图3-3-11所示。图3-3-11多种波形发生器总电路图5、实验与调试（1）本系统可采取逐级安装调试方法，待各级调试均正常后再接成闭环形式。原则上从哪一级开始安排调试均可，但开环时必须由函数信号发生器外加激励信号。研究这四种波形，只有选用UA作为外加信号，先从三角波发生电路开始最为方便。为了满足各种波形的时序、周期、幅值要求，每一级调试的工作量均较大。（2）三角波发生电路的安装与调试①按图3-3-5电路参数安装无误，接通12V直流电源，首先对该电路调零，方法是将uA端接地，万用表直流电压接A2的⑥脚到地，调RW1活动端，看u0是否变化。若u0幅值较大，或始终为零，或某一固定值，应检查电路连接是否正确，同相与反相输入端是否接反等。由于1M电阻的并接，静态时A2工作在闭环（负反馈）状态，②、③脚电位差应该很小，可通过测量来检查。若电路正常，调RW1活动端使u0的绝对值逐步减小，同时更换万用表电压档，直至最低档时，u0=0，调零完成。②拆除UA端口的短路线，接入函数信号发生器，输入周期为10ms，幅值为5V的方波信号，并用示波器严格测量并监视。示波器另一输入观察积分电路输出信号，若打到AC输入方式，应看到周期10ms、幅值为2V的三角波。若幅值大于或小于2V，说明设定的时常数实际值与理论值不符，应该变R3阻值或C1的电容值，一般采取改变电阻的方式比较方便。若幅值低于2V，应减小R3，反之，应加大R3值，直至达到设要求为止。（3）直流电平移位电路的安装与调试按图3-3-6安装好移位电路，接通A2、A3电路电源，示波器观察U′B输出波形正常后通过C2接入A3同相输入端，示波器输入方式改为DC，观察A3⑥脚输出波形UB，调电位器RP1的活动端可以看到uB波形电平上移，直至达到+3V，-1V为止。（4）脉冲波发生电路的安装与调试按图3-3-7电路安装好脉冲波发生电路，通电后输入uB波形，示波器观察uC端，一般周期不会明显变化，但幅值肯定存在误差，如正幅值不可能为+14V，但只要D1、D2为硅二极管，误差不应太大。负电平取决于DZ2的稳压值。若误差过大超出设计要求（﹣5.5～4.5）V,应更换稳压二极管，直至达到设计要求。（5）锯齿波发生电路的安装与调试按图3-3-8电路及参数安装无误，接通电源并对A5进行调零。输入应短路A5的②脚而不是uC端，否则输入端实际上是开路。调零后接入uC波形，并确认u′B，uB、uC波形没有变化，示波器接uD端，仔细观察锯齿波波形，若时序与图3-3-1的uD波形有差异，应精心调整R8，R9，直至达到对uD的规范要求。（6）方波发生电路的安装与调试按图3-3-4安装好过零比较器，接通电源后接入uD波形，示波器观测uA波形，并检查方波的周期和幅值，若幅值与5V相差较大，应更换uZ1。（7）闭环将A1的输出UA端接A2的输入端，完成环形多种波形发生器的最后连接。切除由函数信号发生器提供的激励信号，各级应运转输出正常。用示波器逐级测量各波形的周期、幅值。并记录。分析是否达到设计要求。本电路的缺点是重新启动不可靠，往往要一个方波信号源从uＡ端激励一下。但通过本课题的设计，安装和调试，对集成运算放大器的典型应用电路的了解和调试技能的提高有较大的帮助作用。６、元器件清单序号名称符号规格型号数量1电阻R2、R70.125W1K22电阻R1、R5、R60.125W10K33电阻R8、R100.125W18K24电阻R90.125W20K15电阻R3、R40.125W62K26电阻0.125W1M27电容C1、C30.1uF28电容C2CA10uF16V19电位器RW1、RW2、RP110K310硅二极管D1、D22CP10211锗二极管D3、D42AP10212稳压二极管DZ1、DZ22CW53413集成运算放大器A1~A2F741C(或F007)57、设计任务①分析本课题的设计内容，并对设计方案进行评价，画出设计方案的方框图。②对各单元电路再进行一次理论设计，包括元器件的选择、电路参数的设计等。③画出总电路图，并说明电路及系统的工作原理。④设计调试方案，选择测量仪器，列出调试步骤。⑤对图3-3-11电路进行安装与调试，列出实验数据及工作情况进行分析，是否达到设计要求。⑥总结设计电路的特点及方案的优缺点，提出改进的意见。⑦通过设计报告总结收获和体会。8、思考题①若将图3-3-2的框图变成开环，即锯齿波输出不控制方波的产生，是否也能实现图3-3-1的四种波形及时序关系？如果可行，则单元电路如何改动？并比较这两种设计方案的优缺点。②如何保证三角波、锯齿波的规定幅值要求，若达不到要求（幅值过大或过小），应采取何种措施？