正弦波-方波-锯齿波函数转换器

1课程设计说明书课程设计名称：模拟电子技术课程设计课程设计题目：正弦波-方波-锯齿波函数转换器学院名称：信息工程学院专业：通信工程班级：090421学号：09042134姓名：赵尚虎评分：教师：2011年3月16日2任务书题目3：设计制作一个产生正弦波—方波—锯齿波函数转换器。设计任务和要求①输出波形频率范围为0.02Hz~20KHz且连续可调；②正弦波幅值为±2V；③方波幅值为2V；④锯齿波峰-峰值为2V，占空比可调；3摘要本次课程设计的目的是：应用电路分析低频等所学的知识设计一个正弦波-方波-锯齿波函数发生器。设计的正弦波-方波-锯齿波函数发生器是由正弦波发生器、过零比较器、积分电路等三大部分组成。正弦波发生器产生正弦波，正弦波经过过零比较器转变为方波，方波经过积分电路产生锯齿波。关键字：正弦波、方波、锯齿波4目录第一章设计目的及任务1.1课程设计的目的………………………………………………………51.2课程设计的任务与要求………………………………………………51.3课程设计的技术指标…………………………………………………5第二章系统设计方案选择……………………………………………2.1方案提出………………………………………………………………62.2方案论证和选择………………………………………………………6第三章系统组成及工作原理………………………………………………3.1系统组成………………………………………………………………73.2正弦波发生电路的工作原理…………………………………………73.3正弦波转换方波电路的工作原理……………………………………83.4方波转换成锯齿波电路的工作原理…………………………………93.5总电路图………………………………………………………………11第四章单元电路设计、参数计算、器件选择……………………4.1正弦波发生电路的设计………………………………………………124.2正弦波转换方波电路的设计…………………………………………134.3方波转换成锯齿波电路的设计………………………………………14第五章实验、调试及测试结果与分析……………………………5.1电路总体仿真图如下所示……………………………………………175.2调试方法与调试过程…………………………………………………18第六章结论………………………………………………………………21参考文献……………………………………………………………………23附录（元器件清单）……………………………………………………235第一章设计的目的及任务1．1课程设计的目的1．掌握电子系统的一般设计方法2．掌握模拟器件的应用3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力4．掌握常用元器件的识别和测试5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法1．2课程设计任务与要求1.设计制作一个正弦波-方波-锯齿波函数转换器2.能同时输出一定频率一定幅度的3种波形：正弦波、方波和锯齿波3.可以用±12V或±15V直流稳压电源供电1．3课程设计的技术指标1．设计、组装、调试函数发生器2．输出波形：正弦波、方波、锯齿波3．频率范围：在0.02HZ-20KHZ范围内连续可调4．输出电压：正弦波幅值+2V、方波幅值2V，锯齿波峰峰值2V，占空比可调6第二章系统设计方案选择2.1方案提出方案一：RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—锯齿波函数发生器的设计方法。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成锯齿波。方案二：采用直接频率合成器，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成。2.2方案论证和选择方案一电路是通过RC正弦波振荡电路，具有良好的正弦波，正弦波通过电压比较器产生稳定的方波信号，方波信号经过积分器产生锯齿波，方案一的电路能通过改变门限电压，改变方波的占空比，而且此方案可调节正弦波的幅值。电路简单有效，精度较高，性价比高，易于制作，能应用于各种波形仿真、实验应用等。方案二能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。相对而言，方案一较为合理有效，因此选择方案一。7第三章系统组成及工作原理3.1系统组成及设计框图RC正弦波振荡电路：确定选频网络是串联还是并联，用滑动变阻器代替电阻，以起到选频的效果，反馈部分用两个并联的二极管，起到稳幅的作用，再加滑动变阻器，用以改变正弦波的幅度；电压比较器：正弦波经过电压比较器变成方波，要改变方波的占空比就得改变其门限电压，通过外加受滑动变阻器调节的电源来实现可调门限电压；积分器：占空比调小后的方波经过积分器即可得到锯齿波。图13.2正弦波发生电路的工作原理产生正弦振荡的条件:正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同时它还应具有稳幅特性。因此，正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路等四个部分。正弦波振荡电路的组成判断及分类：1）放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。2）选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。4）稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。判断电路是否振荡的方法是：（1）是否满足相位条件，即电路是否是正反馈，只有满足相位条件才可能产生振荡（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；自激振荡产生正选波（RC正选波振荡电路）电压比较电压比较积分器锯齿波8（3）是否满足幅度条件正弦波振荡电路检验，若：(1)则不可能振荡；(2)振荡，但输出波形明显失真；(3)产生振荡。振荡稳定后。此种情况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小分类：按选频网络的元件类型，把正先振荡电路分为：RC正弦波振荡电路；LC正弦波振荡电路；石英晶体正弦波振荡电路。RC正弦波振荡电路常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。串并联网络在此作为选频和反馈网络。它的起振条件为：。它的振荡频率为：f0=1/(2RC)它主要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC正弦波振荡电路。它的振荡频率为：f0=1/(2RC)。石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定，它常用于振荡频率高度稳定的的场合。3.3正弦波转换方波电路的工作原理在单限比较器中，输入电压在阀值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此，虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因此也就具有一定的抗干扰能力。从反向输入端输人的滞回比较器电路如图1a所示，滞回比较器电路中引人了正反馈。从集成运放输出端的限幅电路可以看出，Uo＝±UZ。集成运放反相输人端电位Up＝Ui同相输入端电位9图2令UN=Up求出的Ui就是阀值电压输出电压在输人电压U，等于阀值电压时是如何变化的呢？假设Ui-UT，那么UN一定小于Up，因而Uo＝+Uz，所以Up=+UYO。只有当输人电压Ui增大到+UT，再增大一个无穷小量时，输出电压Uo才会从+UT跃变为-UT。同理，假设Ui+UT，那么UN一定大于Up，因而Uo＝-UZ，所以Up＝-UT。只有当输人电压Ui减小到-UT，再减小一个无穷小量时，输出电压Uo才会从-UT跃变为+UT。可见，Uo从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的，电压传输特性如图b)所示。从电压传输特性上可以看出，当-UT＜Ui＜+UT时，Uo可能是-UT，也可能是+UT。如果Ui是从小于-UT，的值逐渐增大到-UTUi+UT，那么Uo应为+UT；如果Ui从大于+UT的值逐渐减小到-UTUi+UT，那么应为-UT。曲线具有方向性，如图b)所示。实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输人电压足够大时，输出电压Uo才为±UZ。Uo在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中，随着Ui的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引人了正反馈，加快了Uo的转换速度。例如，当Uo＝+UZ、Up=+UT时，只要Ui略大于+UT足以引起Uo的下降，即会产生如下的正反馈过程：Uo的下降导致Up下降，而Up的下降又使得Uo进一步下降，反馈的结果使Uo迅速变为－UT，从而获得较为理想的电压传输特性。本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号，其传输特性曲线如下图所示：10图33.4方波转换成锯齿波电路的工作原理图4当输入信号为占空比调小后的方波时，其输出信号为锯齿波，电路波形图如下：图5113.5总电路图图6第四章单元电路设计、参数计算、器件选择4.1正弦波发生电路的设计12本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，其电路图如下所示：图7该电路Rf回路串联两个并联的二极管，如上图所示串联了两个并联的1N4148二极管，这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点，加入非线性环节，从而使输出电压稳定。此时输出电压系数为Au=1+(Rf+rd)/R1RC振荡的频率为：fo1/2piRC用Multisim10.0对电路进行仿真得到正弦波：13图8仿真与理论接近4.2正弦波转换方波电路的设计本电路可以采用滞回电压比较器将正弦波转成方波，其电路原理如下图所示：14图9原理上文已讲述，此处省略。也可以采用和滞回比较器功能相似的另一电路实现，如下图：图10输出电压幅值仅由稳压管决定，所以选稳压管（1N4748）。用Multisim10.0对其进行仿真得到如下波形图：15图114.3方波转换成锯齿波电路的设计本电路中方波转成锯齿波采用积分电路，其电路原理如下图所示：图12积分电路：U0=-21)(RC1ttdttu+u0(t1)其中，积分电路图中的电路图1316用于调节占空比。锯齿波形如下图所示：图1417第五章实验、调试及测试结果与分析5.1电路总体仿真图如下所示18图15输出波形：正弦波、方波、锯齿波频率范围：在0.02HZ-20KHZ范围内连续可调输出电压：正弦波幅值约为±2V、方波幅值约为2V，锯齿波峰峰值约为2V，占空比可调5.2调试方法与调试过程总电路图如下所示图1619图17该电路分为三部分，第一部分为RC桥式正弦振荡电路，其功能是利用RC振荡产生特定频率的正弦波，通过调节电阻R2改变正弦波幅值；第二部分为类似电压比较器的电路，其功能为将正弦波转成方波；第三部分为积分电路，其功能为利用积分电路将方波转成锯齿波，锯齿波通过调节R8的大小改变锯齿波的幅值。在正弦波产生电路中f=1/2piRC,改变RC的值可以改变电路的信号频率，20在积分电路中，改变R9的值可以改变方波的占空比。①实验数据：正弦波幅值（v）±1.96方波幅值(v)±2.0锯齿波峰峰值(v)2.1②数据分析：实验结果与仿真结果一致，在误差范围内，都符合设计要求。③误差分析：ⅰ.电阻的实际值与标称值存在误差；ⅱ.RC选频网络中的R、C参数的选择不合理导致频率的选择不达不到要求；ⅲ.电位器的大小选择不合适，导致调节的精度不够高；ⅳ.焊接时管脚的连接容易短路或开路，导致波形不能出来；21第六章结论1要满足课设的频率调节要求，0.02HZ——20KHZ，这个部分：需要该进成的多档调节（此方法是模拟电子技术基本教程课本上P281的震荡频率连续可调的RC串并联网络）或者是更多的档位（多向开关实验室也没有，所以只能够用一个电容，因此频率调节的范围就小了）