设计制作一个产生正弦波—方波—三角波函数转换器

模拟电路课程设计报告设计课题:设计制作一个产生正弦波—方波—三角波函数转换器专业班级：电信本学生姓名：学号：46指导教师：设计时间：01/05设计制作一个产生正弦波－方波－锯齿波函数转换器一、设计任务与要求1、输出波形频率范围为0.02KHz~20kHz且连续可调；2、正弦波幅值为±2V；3、方波幅值为2V；4、三角波峰-峰值为2V，占空比可调；5、分别用三个发光二极管显示三种波形输出；6、用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。二、方案设计与论证设计要求产生三种不同的波形分别为正弦波、方波、三角波。正弦波可以通过RC桥式正弦波振荡电路产生。正弦波通过滞回比较器可以转换成方波，方波通过一个积分电路可以转换成三角波，只要调节三角波的占空比就可以得到锯齿波。各个芯片的电源可用直流电源提供。方案一1、直流电源部分电路图如图1所示T115U1LM7812CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEU2LM7912CTLINEVREGCOMMONVOLTAGEC13.3mFC23.3mFC3100nFC4100nFC5330nFC6330nFC7250uFC8250uFD1DIODE_VIRTUALD2DIODE_VIRTUALD3DIODE_VIRTUALD4DIODE_VIRTUAL34LED1LED2R11.0kΩ1R21.0kΩ6V1220Vpk50Hz0°710XMM1XMM20D51N40079D61N40072512图1直流电源2、波形产生部分方案一：LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相似的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。方案二1、直流电源部分同上2、电路图如图2所示R120kΩVCC12VVEE-12VR210kΩKey=A50%R350kΩKey=A50%R410kΩKey=A50%D21N4007D11N4007V112VV212VR610kΩR75.1kΩR850kΩKey=A50%C3220nFD32VD42VU23554AM65721U33554AM65721U13554AM65721R910kΩKey=A50%XSC1ABCDGT01615141370VCCVEE1500D51N4007D61N40073R510kΩKey=A50%6C2220nF2C1220nFLED2490LED18R11100Ω1117U4AC10MOhm1.289V+-LED3R1210kΩ180R10100Ω1019R13100Ω2012图2正弦波—方波—三角波函数转换电路正、反积分时间常数可调的积分电路滞回比较器LC正弦波振荡电路方案论证LC正弦波振荡电路特别是方案一所采取的电感反馈式振荡电路中N1与N2之间耦合紧密，振幅大；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高频率可达几十兆赫兹。由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波形中常含有高次谐波。因此，电感反馈式振荡电路常用在对波形要求不高的设备之中，如高频加热器、接受机的本机振荡电路等。另外由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。因此对于器材的选择及焊接的要求提高了。相反，RC正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般在1MHz以下，它是以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小等优点，因此获得相当广泛的应用。另外对于器材的要求也不高，都是写常见的的集成块、电容、电位器等。在布局方面，简单，清晰！综合对比两种方案，我选择第二种方案。三、单元电路设计与参数计算1、直流电源（1）、整流电路设变压器副边电压U2=wtUsin22,U2为其有效值。则：输出电压的平均值)(sin2120)(wtwtdUUAVO29.0U输出电流的平均值IO(AV)=0.9U2/RL脉动系数S=)(1AVOMOUU=2/3=0.67二极管的选择最大镇流电流IF1.1LRU22最高反向工作电压URM1.122U（2）、滤波电路UO(AV)=2U2(1-T/4RLC)当RLC=(3~5)T/2时，UO(AV)=1.2U2脉动系数为S=TCRTL4滤波后的电压：（3）、稳压电路在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。限流电阻R是必不可少的元件，它既限制稳压管中的电流使其正常工作，又与稳压管相配合以达到稳压的目的。一般情况下，在电路中如果有稳压管存在，就必然有与之匹配的限流电阻。1)稳压电路输入电压UI的选择：根据经验，一般选取UI=(2~3)UOUI确定后，就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。2)稳压管的选择：UZ=UO;IZmax-IZminILmax-ILmin;稳压管最大稳定电流IZM=ILmax+ILmin3）限流电阻R的选择：通过查手册可知：IZMIN=IDZ=IZMAX;计算可知:maxR=（UImin-UZ)/(IZ+ILmax）Rmin=(UImax-UZ)/(IZM+ILmin))41(22UUU2OminOmaxAVOCRTUL＋＝）（其中变压器用220V~15V规格的选的三端稳压器为：LM7812、LM7912，整流用的二极管可用1N4007，电解电容用3300ufC7与C8可用220Uf电容C3与C3可用0.3322UfC5与C6可用0.1uF，发光二极管上的R用1KΩ。2、波形转换部分（1）、RC正弦波振荡电路的参数设计RC正弦波振荡电路图如图3所示令R2=R’=R图3RC正弦波振荡电路F=Uf\Uo=jwcRjwcRjwc/1///1/1//R整理可得F=)/1(31wRCwRCj令W。=1/RC,则f。=1/2ПRC,根据起振条件和幅值平衡条件Au=U。/Up=1+Rf/R1≥3，整理得：Rf≥2R1因为输出波形频率范围为0.02KHz－20KHz,取C=0.22Uf,故R=(0.02K-3.6K),用5K的电位器去调，且正弦波的幅值为2V,故R1用10K的电位器，Rf用50K的电位器。正弦波发生器仿真电路图如图4所示图4RC正弦波振荡电路的仿真电路图正弦波——方波转换器实验原理如图5所示方波滞回比较器图5正弦波—方波转换器实验原理方框图滞回比较器如图6所示，其电压传输特性如图7所示+-+uinunupuoUZR1R2R3uouinUZ-UZUth-Uth0图6滞回比较器图7电压传输特性电路组成：集成运放uA741,R5,R6图6为一种电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R3起限流作用，R1和R2构成正反馈，运算放大器当UpUc时工作在正饱和区，而当UcUp时工作在负饱和区。从电路结构可知，当输入电压Uⅰ小于某一负值电压时，输出电压U。=-UZ；当输入电压Uⅰ大于某一电压时，uo=+UZ。又由于“虚断”、“虚短”Up=Uc=0，由此可确定出翻转时的输入电压。up用ui和uo表示，有21o1i221o2i1p1111RRuRuRRRuRuRu=un=0得此时的输入电压thZ21o21iUURRuRRummUth称为阈值电压。滞回电压比较器的直流传递特性如图7所示。设输入电压初始值小于-Uth，此时uo=-UZ；增大ui，当ui=Uth时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小ui，当ui=-Uth时，运放则开始进入负饱和区。由于是正弦波—方波转换电路，输出端加一个限流电阻R7=2K,根据设计要求方波幅值为2V，因此选择的稳压二极管可选用稳压为3.3V的，共两个。正弦波——方波转换仿真电路图如图8所示正弦波发生电路图8正弦波——方波转换仿真电路图方波——锯齿波转换器实验原理如图9所示图9方波——锯齿波转换器实验原理电路组成：（1）积分运算电路积分运算电路如图10所示图10积分运算电路由于“虚地”，U-=0,故：Uo=-Uc由于“虚断”，i1=iC,故：Ui=i1R=icR得：tuRCtiCuuCCd1d1IO；τ=RC（积分时间常数）由上式可知，利用积分电路可以实现方波——三角波的波形变换。(2)占空比可调电路方波—三角波转换电路的仿真图如图11所示方波发生电路正、反积分时间常数可调的积分电路锯齿波图11方波—三角波转换电路的仿真图由于是方波—三角波波转换电路，因此在第二个集成块的输出端加上个限流阻R5=2K,根据设计要求三角波的峰—峰值为2V，且占空比可调。Uo=-R8C1Uz(t1-t0)+UO(t0)当Uo=R9)CR81（Uz(t2-t1)+UO(t1)T=R6R9)C2R82R5（,取R9、R5为10K的电位器，R8为50K电位器。解之可得：R6=282/T=282f=0.0968K~9.68K，因此取R6=10K，积分电路中C=220nf,改变占空比的二极管可选用2个1N4007,补偿电阻R12可选取10K，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。四、总原理图及元器件清单1、总原理图（1）、直流电流如图12所示图12直流电源（2）、正弦波—方波—三角波函数转换电路如图13所示图13正弦波—方波—三角波函数转换电路3、元件清单元件清单如表1所示表1元件清单五、安装与调试1、直流稳压电源（1）、按所设计得电路图在电路板上做好布局，准备焊接电路板。（2）、用万用表测得输出为+11.9V和-12.1V，与理论值有一定的误差；并且测出7812、7912输入与输出的压差分别为+9.2和-9.2，并记录。2、正弦波、方波、三角波波形转换（1）、按照设计好的电路图正确地布局好电路，焊接电路板.（2）、经“起振”调试后用示波器可测得各输出端的波形，并记录。（3）、用示波器读出格数，计算峰—峰值；然后用数字毫伏表读出其有效值，并记录。元件序号型号主要参数数量备注（价钱）变压器15V19元三端稳压器LM781211.2元三端稳压器LM791211.2元电阻68Ω、2K、10K15K、1K3、1、31、20.1元芯片Ua74131.5元电位器5K、50K2、10.5元电位器10K40.5元电容0.22uf30.5元二极管1N400780.1元发光二极管50.3元稳压管3.3V20.25元大号焊接板12.0元大电容耐压35V以上3300uf、220uf2、20.5元小电容0.1uf、0.33uf2、20.3元导线13元(4)、调节各个电位器，用函数发生器的输入端测出各个波形的频率范围，并记录。六、性能测试与分析1、直流电源部分输出：+11.9V，-12.1V。稳压块电势差：LM7812为9.2V，LM7912为9.2V。误差分析：LM7812端的输出：（11.9-12）/12100%=0.83%。LM7912端的输出：（12.1-12）/12100%=0.83%。2、波形转换部分经“起振”调试后用示波器可测得各输出端的波形，并记录。用示波器读出格数，计算峰—峰值；然后用数字毫伏表读出其有效值，并记录。调节各个电位器，用函数发生器的输入端测出各个波形的频率范围，并记录。数据记录：（1）、正弦波（幅值可调、频率可调）峰-峰值：Up-p=22=4V有效值为：U=4/22=1.41V频率调节范围为：187.6HZ—12.67KHZ相对误差：（1.4144-1.41）/1.41100%=0.31%（2）、方波峰-峰值：Up-p=2.52V=5V有效值为：U=5/22=1.768V相对误差：|2.5-2|/2100%=25%（3）、三角波峰-峰值：Up-p=22V=4V有效值为：U=4/22=1.414V相对误差：|2-2|/2100%=0误差分析：1、电路参数选择不合理2、焊电路板的时候，