-正弦波-方波-三角波函数转换器

课程设计名称：电子课程设计课程设计题目：设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器学院名称：信息工程学院专业：班级：学号：姓名：评分：教师：2013－2014学年第1学期第1周－3周注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。摘要在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。用三角波，方波发生电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。因此，本设计意在用LM324放大器设计一个产生正弦波-方波-三角波的函数转换器。为了使这三种波形实现转换，正弦波可以通过RC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，三角波的占空比只要求可调即可。从而实现转换器的设计。题目设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器内容及要求：设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器，要求实现：（1）输出波形频率范围为0.2KHz~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；进度安排：1.根据任务要求，查阅相关资料，完成设计前的前期工作：2天2.根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算：2.5天3.领取元器件，连接电路，完成电路调试：34.提交报告：12周关键字：放大器、波形转换、同相滞回比较、电路积分电路、滤波电路目录前言…………………………………………………………………………………1第一章设计要求…………………………………………………………………21.1设计内容及要求…………………………………………………………2第二章系统组成及原理…………………………………………………………32.1方案一……………………………………………………………………32.2方案二……………………………………………………………………3第三章单元电路设计与计算……………………………………………………53.1单元电路设计……………………………………………………………53.1.1正弦波发生器实验原理……………………………………………53.1.2正弦波—方波转换器实验原理……………………………………63.1.3方波—三角波转换器实验原理……………………………………83.1.4直流电源电路原理…………………………………………………93.2三角波正弦波转换电路…………………………………………………113.2.1直流电源的参数设计………………………………………………113.2.2RC正弦波振荡电路的参数设计…………………………………113.2.3方波电路的参数设计………………………………………………113.2.4三角波电路的参数设计……………………………………………11第四章安装与调试………………………………………………………………12第五章性能测试及分析…………………………………………………………13第六章结论与心得………………………………………………………………146.1实验结论…………………………………………………………………146.2心得体会…………………………………………………………………14参考文献……………………………………………………………………………15附录…………………………………………………………………………………161总原理图…………………………………………………………………162芯片管脚图………………………………………………………………173原件清单…………………………………………………………………171前言现今世界中电子技术与电子产品的应用越加广泛，人们对电子技术的要求也越来越高。因此如何根据实际要求设计出简便实用的电子技术物品便显得尤为重要。灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。能将简单的易获取的信号转换为自己所需的复杂信号是一项必不可少的技术。我们有必要做好这相关方面的研究，为被测电路提供所需要的信号及各种波形，以便完成各种相关试验。信号源在各种试验应用和实验测试处理中，仿真各种测试信号，提供给被测电路，用来满足实验的各种要求。本文所设计的波形发生器就是信号源的一种，采用集成运算放大器、电阻和电容组成简单的电路，实现波形的产生和转换。2第一章、设计要求1.1设计内容及要求1.输出波形频率范围为0.2KHz~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；3第二章、系统的组成及工作原理设计要求为实现正弦波-方波-三角波之间的转换。正弦波可以通过RC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，三角波的占空比只要求可调即可。各个芯片的电源可用±12V直流电源提供，并备用了两套方案设计。2.1方案一方案一电路方框图如图2.1所示。图2.1方案一方框图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。2.2方案二方案二电路方框图如图2.2所示。图2.2方案二方框图滞回比较器LC正弦波振荡电路积分电路滞回比较器RC正弦波发生电路积分电路4方案二仿真电路如图2.3所示。图2.3方案二仿真电路图方案论证：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，并且器材总价格也增加了。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，只需集成块、电容、电位器等组成即可。在焊接方面，直接、美观、大方！在器材总价格方面，相比第一种方案更为实惠。综合对比两种方案，选择第二种方案。5)1j()1(1j11j1j1122112212211222212fCRCRCCRRCRCRCRRUUF第三章单元电路设计与参数计算3.1单元电路设计3.1.1正弦波发生器实验原理（1）RC串并联选频网络。R1=R2=R，C1=C2=C，，令则：得RC串并联电路的幅频特性为：相频特性为：最大，F=0。（2）振荡频率与起振条件1）振荡频率：2）起振条件：当f=f0时，由振荡条件知：所以起振条件为：同相比例运放的电压放大倍数为：即要求：3）稳幅环节：反馈电阻的热敏RF采用负温度系数电阻，R1采用正温系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。或者在RF回路中串联二个并联的二极管也可以自动稳幅。RC10RCf210)j(3100F2002)(31F3arctg00F时，当RC1031FRCf21031F1FA3ARRAuFf1RR2F6正弦波发生器仿真电路图3.1所示。图3.1正弦波发生器仿真电路图3.1.2正弦波—方波转换器实验原理正弦波—方波转换器方框图如图3.2所示。图3.2正弦波—方波转换器方框图（1）电路组成：1）滞回比较器：集成运方、R11、R8.图3.3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，R2和R1构成正反馈，运算放大器当upun时工作在正饱和区，而当unup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uo=-UZ；当输入电压ui大于某一电压时，uo=+UZ。又由于“虚断”、“虚短”up=un=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滞回比较器正弦波发生电路方波7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3.4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。+-+uinunupuoUZR1R2R3uouinUZ-UZUth-Uth0图3.3电压比较器电路图3.4滞回电压比较器的直流传递特性（2）正弦波—方波转换仿真电路图正弦波—方波转换仿真电路如图3.5所示。图3.5正弦波—方波转换仿真电路图83.1.3方波—三角波转换器实验原理方波—三角波转换器方框图如图3.6所示。图3.6方波—三角波转换器方框图（1）积分运算电路如图3.7所示。图3.7积分运算电路由于“虚地”，Uo+Uc=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）正、反向积分时间常数可调电路正、反向积分时间常数可调电路如图3.8所示。积分电路方波发生电路三角波9图3.8正、反向积分时间常数可调电路3.1.4直流电源电路原理直流电源电路方框图如图3.9所示。图3.9直流电源电路方框图（1）整流电路：将交流变直流的过程。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：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。整流电路电源变压器滤波电路稳压电路10按照三角形相似关系可得：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（3）稳压电路：把电压幅值稳定的电路。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)本实验采用集成稳压器电路，其包括调整管、保护电路、比较放大电路、基准电压电路、采样电路、电流源电路。4）直流电源电路仿真电路图如图3.10所示。11图3.10直流电源电路仿真电路图3.2参数计算3.2.1直流电源的参数设计提供的是220V的交流