正弦波-方波-三角波产生电路

模拟电子技术课程设计报告一、设计课题：设计正弦波-方波-三角波产生电路，满足以下要求：(1)正弦波-方波-三角波的频率在100HZ~20KHZ范围内连续可调；(2)正弦波-方波的输出信号幅值为6V，三角波输出信号幅值为0~2V连续可调；(3)正弦波失真度≦5%二、课程设计目的：（1）巩固所学的相关理论知识；（2）实践所掌握的电子制作技能；（3）会运用EDA工具对所作出的理论设计进行模拟仿真测试,进一步完善理论设计；（4）通过查阅手册和文献资料,熟悉常用电子器件的类型和特性,并掌握合理选用元器件的原则；（5）学会撰写课程设计报告；（6）培养实事求是,严谨的工作态度和严肃的工作作风。.三、电路方案与系统、参数设计（1）电路系统设计及功能框图设计要求为实现正弦波-方波-三角波之间的转换。正弦波可以通过文氏桥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，三角波的幅值要求可调。各个芯片的电源可用±12V直流电源提供。1（2）单元电路设计1.正弦波发生器实验原理常见的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。1.1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。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。1.2振荡频率与起振条件1）振荡频率:012fRC2）起振条件:当f=f0时，31F由振荡条件知：1AF,所以起振条件为：3A同相比例运放的电压放大倍数为：F41uRAR,即要F42RR1.3正弦波产生电路一般包括：放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路个部分。2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。RC串并联选频网络：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。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。稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。在回路中串联二个并联的1BH62二极管可实现自动稳幅，加入二极管是通过改变运放的放大倍数实现稳幅的。运放的输出电压超过一定幅值时，此时用比例运放倍数会减小，输出电压下降。从而达到电压稳幅的目的。1.4正弦波发生器仿真电路图2.正弦波—方波转换器实验原理2.1电路组成：3如图1电压比较器电路中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pnUU时工作在正饱和区，而当npUU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”0pnUU,由此可确定出翻转时的输入电压。Up用Ui和Uo表示，有io2i1o12121211011pouuRuRuRRUURRRR得此时的输入电压11Zth22ioRRUUUURRUth称为阈值电压。滞回电压比较器的直流传递特性如图2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1电压比较器电路图2滞回电压比较器的直流传递特性2.2正弦波—方波转换仿真电路图43.方波—三角波转换器实验原理3.1积分运算电路积分运算电路如上图，由于“虚地”，U-=0,故：Uo=-Uc由于“虚断”，iI=ic,故：Ui=iIR=icR得OI11ddCCUUitutCRC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。3.2方波—三角波转换仿真电路图5（3）元器件与参数设计：LM324内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用,也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合等。RC正弦波振荡电路的参数设计根据设计要求输出波形频率范围为100Hz~20kHz且连续可调，正弦波幅值为±6V，根据012fRC，取C=10nf,解之可得，R的取值范围0.796K~159.15K，因此RC选频网络用两个600Ω的固定电阻R2、R11，两个158K电位器R1、R12和两个10nf的电容C1、C2组成串并联网络。对于电压幅值6V，可以通过1.645K的电阻R3和1K的电阻R4调节而得到。在回路中串联二个并联的1BH62二极管可实现自动稳幅。方波电路的参数设计6根据设计要求方波幅值为6V，选择的稳压二极管可选用稳压管IN5759A，其稳压电压为17V，另加一阻值为4.5K的R7用于限流，两个10K电阻R5、R6构成正反馈，选择的稳压二极管可选用稳压管IN5759A。三角波电路的参数设计由于是方波—三角波转换电路，因此在第三个LM324AD的输出端加上个限流阻R8=10K,根据设计要求三角波的峰—峰值为2V，根据100UUttUtozo，取R8为10K的电阻，R10为20K的电位器，积分电路中C3=0.065uf,补偿电阻R9可选取10K，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。（4）总电路图与器材清单表7元件类型元件序号主要参数数量运算放大器LM324电压增益高约100dB3电容C1,C2,C310nf,10nf,0.065uf3电位器R1，R12R10158K20K21固定电阻R2,R11R3,R4,R7R5,R6,R8,R9600Ω1.645K,1K,4.5K10K234二极管1BH62/2稳压管IN5759A稳压电压为17V1（5）总电路仿真结果8四、设计总结（1）设计过程中所遇问题（已解决）1.1理论计算所得的R、C值无法达成所要求的频率条件根据理论计算，取C=10nf,可得R的取值范围0.796K~159.15K，可使正弦波频率从100HZ至20KHZ连续可调，而实际设计过程中，经过调试，RC选频网络选用两个600Ω的固定电阻R2、R11，两个158K电位器R1、R12和两个10nf的电容C1、C2组成串并联网络，使频率从99.6HZ~20.4KHZ可调，达到设计要求。1.2正弦波幅值条件无法达到根据起振条件F42RR，开始所设计电路中，R32R4，无法达到所要求的幅值条件，经分析讨论，起振条件中的RF应包括R3及二极管阻值，经反复调试得到R3=1.645KΩ，使正弦波幅值为6V（P—P值约为12V）。9（2）设计过程中所遇问题（未解决）2.1正弦波20KHZ时幅值不达标根据理论计算及调试，使正弦波幅值为6V，但当正弦波频率升至20KHZ时，其幅值显著减小，经反复调试仍未解决。2.2方波、三角波高频时失真严重高频时方波波形近似三角波，而三角波波形无规律，两者均失真现象严重。2.3不同频率三角波幅值不定改变频率时，三角波幅值变化较大，无法固定，经调试仍未解决该问题，现数据仅满足1KHZ时三角波幅值在0~2V可调。五、主要参考文献【1】《电子技术基础模拟部分》第六版康华光主编高等教育出版社.（2013）；【2】《电子电路知识600问》赵双义主编,中国电力出版社（2005）；【3】电子发烧网