课程设计-方波信号发生器设计

课程设计方波信号发生器设计1目录一、概述..............................................2二、技术性能指标......................................22.1设计内容及技术要求..............................22.2设计目的........................................32.3设计要求........................................3三、方案的选择........................................33.1方案一..........................................43.2方案二..........................................53.3最终方案........................................6四、单元电路设计......................................64.1矩形波产生电路..................................64.2三角波产生电路..................................94.3正弦波产生电路.................................11五、总电路图.........................................13六、波形仿真结果.....................................136.1矩形波仿真结果.................................136.2三角波仿真结果.................................146.3正弦波仿真结果.................................156.4三种波形同时仿真结果...........................15七、PCB版制作与调试.................................16结论.................................................17总结与体会...........................................18致谢.................................................18附录1元件清单......................................19附录2参考文献......................................20课程设计方波信号发生器设计2函数信号发生器设计报告一、概述信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。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。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。二、技术性能指标2.1设计内容及技术要求设计并制作一个信号发生器，具体要求如下：1、能够输出正弦波、方波、三角波；2、输出信号频率范围为1——10Hz，10——100Hz；3、输出信号幅值：方波Up-p=24V，三角波Up-p=0——20V，正弦波U1V；4、波形特征：方波Tr10s（100Hz，最大输出时），三角波失真系数THD2%，正弦波失真系数THD5%；5、电源：±13V直流电源供电；课程设计方波信号发生器设计3按照以上技术完成要求设计出电路，绘制电路图，对设计的电路用Multisim进行必要的仿真，用PROTEL软件进行制板、焊接，然后对制作的电路完成调试，撰写设计报告测，通过答辩。2.2设计目的电子电路设计及制作课程是电子技术基础课程的实践性教学环节，通过该教学环节，要求达到以下目的：1、使学生进一步掌握模拟电子技术的理论知识，培养学生工程设计能力和综合分析问题、解决问题的能力；2、使学生基本掌握常用电子电路的一般设计方法，提高电子电路的设计和实验能力；3、熟悉并学会选用电子元器件，为以后从事生产和科研工作打下一定的基础。2.3设计要求1、设计时要综合考虑实用、经济并满足性能指标要求；2、必须独立完成设计课题；3、合理选用元器件；4、按时完成设计任务并提交设计报告。三、方案的选择根据实验任务的要求，对信号产生部分可采用多种方案：如模拟电路实现方案，数字电路实现方案，模数结合实现方案等。鉴于波形信号的产生和模拟联系紧密，我们用模拟电路实现方案。模拟电路的实现方案就是指全部采用模拟电路的方式，以实现信号产生电路的所有功能。就此方案，也有几种电路方式。课程设计方波信号发生器设计43.1方案一R1R2R3WR10K20K1K0.022FCPV01V02VZDZV50KA1A2NV图1方波和正弦波产生电路用方波和三角波产生电路输出方波和三角波，再通过三角波—正弦波转换器产生正弦波。方波和三角波发生器的工作原理：A1构成迟滞比较器同相端电位Vp由V01和VO2决定。利用叠加定理可得：当Vp＞0时，A1输出为正，即Vo1=+Vz；当Vp＜0时，A1输出为负即Vo1=-Vz。A2构成反相积分器Vo1为负时，Vo2向正向变化，Vo1为正时，Vo2向负向变化。假设电源接通时Vo1=-Vz，线性增加。当：时，可得：当Vo2上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到Vo1=+Vz。0212201121VRRRVRRRVPZVRRV21020)()(21122121ZZPVRRRRRVRRRV课程设计方波信号发生器设计5同样：时当Vo2下降到使Vp略低于0时，Vo1=-Vz。这样不断的重复，就可以得到方波Vo1和三角波Vo2。其输出波形如图2-6所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值±Vz之间。电路的振荡频率：CRRRfWo42方波幅值：ZOVV1三角波幅值：CCOVRRV212调节WR可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。ZVZV12ZRVR12ZRVRt0V图2方波和正弦波波形图3.2方案二ZVRRV2102ZV课程设计方波信号发生器设计6图3信号发生器方框图用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用电压比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如图二。此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分器电路产生同步的三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波幅度同时改变。若要保持三角波的输出幅度不变，需同时改变积分时间常数的大小。而且方波占空比[2]和锯齿波幅度改变会同时引起其它波形的变化。3.3最终方案在方案一、方案二的基础上，我们改进了方波、三角波自激振荡电路，并以RC桥式振荡电路产生并输出正弦波，解决了课程设计中提出的对方波、三角波和正弦波调节而互不影响的要求。四、单元电路设计4.1矩形波产生电路此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。课程设计方波信号发生器设计7反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。矩形波产生电路如图4所示：图4矩形波产生电路方波-三角波转换工作原理分析图如图5、图6所示：图5方波-三角波转换工作原理分析图课程设计方波信号发生器设计8图6方波-三角波转换工作原理分析图此电路的工作原理：若a点断开，运算发大器Uo1与R1、R2及R3、R4组成电压比较器，C4为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则0)(432434322iaCCURRRRRVRRRRU将上式整理得，比较器翻转的下门限单位Uia-为CCCCiaVRRRVRRRU432432若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为课程设计方波信号发生器设计9CCEEiaVRRRVRRRU432432比较器的门限宽度CCiaiaHVRRRUUU4322由以上公式可得比较器的电压传输特性。4.2三角波产生电路三角波产生电路如下图：图7三角波产生电路a点断开后，集成运算放大器U2与R5、R6、C1、C2、C7及R7组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为：dtuCRRuoo1652)(1CCoVu1时，tCRRVtCRRVuCCCCo)()()(65652课程设计方波信号发生器设计10EEoVu1时，tCRRVtCRRVuEEEEo)()()(65652可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波。a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波的幅度为CCOVRRRU4322方波-三角波的频率f为：CRRRRRf)(465243电路中稳压管D1、D4的作用是防止由于电路故障导致输出电压过大从而击穿电容造成电容不可逆转的损坏，稳压管的稳定电压应该大于三角波输出的最大幅值，此处选用型号为1N4740A的稳压二极管，击穿电压为10V；电路中R5是为了保证三角波的输出频率最大为100Hz，滑动变阻器R6的作用是使输出频率在1——100Hz之间可调，经计算取R5=10kΩ，R6=100kΩ；集成运放的同相输入端所接电阻R7为平衡电阻，经计算R7≈10kΩ；输出端串联一个470uF的电解电容和一个100kΩ的滑动变阻器，电解电容用来滤除杂波，只输出交流的三角波，滑动变阻器用来调节输出三角波的幅值。课程设计方波信号发生器设计114.3正弦波产生电路采用RC串并联选频网络构成的振荡电路称为RC桥式振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz——1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增大电阻R、电容C即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz以下的正弦振荡电路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。常用的RC振荡电路有相移式和桥式两种。我们在方案选择中，正弦波电路是重要的部分，为了保证正弦波输出的频率和幅值稳定且可调，我们选择了单独的RC桥式振荡电路产生并输出稳定的正弦波。此部分电路我们是典型的RC乔氏正弦波