多功能锯齿波发生器的设计

课程设计说明书课程名称：模拟电子技术课程设计题目：多功能锯齿波发生器的设计学生姓名：专业：班级：学号：指导教师：日期：年月日多功能锯齿波发生器的设计一、设计任务与要求(1)在控制开关的作用下，能实现单周期扫描、间歇扫描、连续扫描和停止扫描控制功能(2)具有输出幅度调节、直流偏置调节和扫描周期调节功能；(3)输出幅度在正负10V范围内可调．线性度优于0.01％。（4）运用集成运算放大器为主要器件。二、方案设计与论证锯齿波发生器是运用相关器件组合而产生的电路，其中一个非常重要的部件就是集成运算放大器，以及由集成运算放大器组成的滞回比较器、积分器。用集成运放实现的电路结构简单，调整方便。如果在三角波发生电路中,有意识地使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊,则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号。要实现幅度可调,则需将控制输出电压幅度的相应参数设置成可调参数即可。器件与单元电路的介绍：集成运算放大器，滞回比较器，积分电路，反向比例运算电路，555定时器。三、单元电路设计与参数计算1.工作原理假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。由于A1同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo有关，根据叠加原理，可得：o2121o211URRRURRRU＝（7）则此时U+也为高电平。但当z1oUU＝时，积分电路的输出电压Uo将随着时间往负方向线性增长，U+随之减小，当减小至0UU时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使z1oUU＝，同时U+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，U+也随之增大，当增大至0UU时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使z1oUU＝,同时U+也跳变为一个正值。然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压1oU为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo为锯齿波。如图2所示：图2锯齿波发生电路的波形图由上图可知，当1oU发生跳变时，锯齿波输出Uo达到最大值Uom，而1oU发生跳变的条件是：0UU，将条件z1oUU＝，0U代入（7）式，可得：mo212z211URRRU-RRR0）（＝（8）由此可解得锯齿波输出的幅度为：z21omURRU＝(9)要使得幅度可调，由（9）式可知，改变参数1R即可，所以实际电路中1R采用滑动变阻器；调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度。从而满足设计要求。2.各个部分组成电路及元件集成运算放大器图3是集成运放的符号图，1、2端是信号输入端，3、4是工作电压端，5是输出端，在实际中还有调零端，频率补偿端和偏置端等辅助端。集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端以及一个输出端。图中标有“+”号的是同相输入端，标有“—”号的是反相输入端，当信号从同相端输入时，输出信号和输入信号同相，反之则反相。当集成运放工作在线性区时，它的输入信号电压和输出信号电压的关系是：odonpAUUU（1）式中odA是运放器的放大倍数，odA是非常大的，可达几十万倍，这是运算放大器和差分放大器的区别，而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高，一般达几百千欧到几兆欧，因此在实际应用中，常常把集成运放器看成是一个“理想运算放大器”。理想运算放大器的两个重要指标为：（1）差模输入阻抗为∞；（2）开环差模电压增益Aod为∞。根据这两项指标可知，当理想运算放大器工作在线性区时，因为其输入阻抗为∞，因此在其两个输入端均没有电流，即在图1中021II，如同两点被断开一样，这种现象称为“虚断”。又因为odA，根据输入和输出端的关系：odonpAUUU，所以认为运放的同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。这种现象成为“虚短”。“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论，常常作为分析许多运放电路的出发点。当理想运放工作在非线性区时，则“虚短”现象不复存在。图3集成运算放大器滞回比较器滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图2所示。图4滞回比较器电路原理图输入电压Ui经电阻2R加在集成运放的反相输入端，参考电压Uref经电阻1R接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rf引回同相输入端。电阻3R和背靠背稳压管VDz的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在Uz。在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即UU时，输出端的状态将发生跳变。其中U+则由参考电压Uref及输出电压Uo二者共同决定，而Uo有两种可能的状态：+Uz或－Uz。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图3所示。图5滞回比较器的传输特性下面对此电路进行定性的分析：利用叠加原理可求得同相输入端的电位为：of22reff2fURRRURRRU＝（2）若原先Uo=+Uz,当Ui逐渐增大时，使Uo从+Uz跳变为—Uz所需的门限电平用UT＋表示，由上式可知：zf22reff2fTURRRURRRU＝（3）若原先Uo=－Uz，当Ui逐渐减小，使Uo从—Uz跳变为+Uz所需的门限电平用UT－表示，则：zf22reff2fTURRRURRRU＝（4）上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号TU表示，由以上两式可求得：zf22TTTURR2RUUU＝－＝（5）由此可见，门限宽度TU的值取决于稳压管的稳定电压Uz以及电阻2R和fR的值，但与参考电压Uref无关。也就是说，当Uref增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。说明滞回比较器的抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT＋和UT—的值，就可以避免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变。积分电路积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，可以实现对微分方程的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。电路组成如图6，根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知：电路的输出电压Uo与电容两端的电压Uc成正比，而电路的输入电压Ui与流过电容的电流ic成正比，即Uo与Ui之间成为积分运算关系。图6积分电路由于集成运放的反相输入端“虚地”，故coUU可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则cii，故RiiRUci1即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得：dtU1dtiC1UUiccoRC＝＝＝－（6）由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输出电压即可转变为三角波。四、总原理图及元器件清单1．总原理图2．元件清单五、安装与调试zf22TTTURR2RUUU＝－＝dtU1dtiC1UUiccoRC＝＝＝－六、性能测试与分析（写仿真调试与分析）幅度可调锯齿波发生电路包括两部分，一是由集成运算放大器组成的滞回比较器电路，二是由集成运算放大器组成的积分电路。它的主要元器件包括集成运算放大器、电容、电阻、可调电位器、二极管、稳压管等。将积分电路的输出电压接在示波器通道A一端，便可对电路进行仿真，得出仿真结果。电路中采用的是虚拟器件，因此有可能影响仿真结果，仿真时锯齿波的最大幅度比理论值稍大。仿真结果同预期结果大体相同。用集成运算放大器实现的锯齿波发生器电路基本上符合了要求，还用了555定时器做间歇扫描，反相比例运算电路做调幅作用；电路优点:它不仅电路简单，器件选择灵活，而且性能较好。电路的不足之处：电路中通过1R引入了深度的负反馈，以保证集成运放工作在线性区，在线性区内，差模输入电压的范围特别小，这就限制了集成运放输入电压的幅度，如果想得到更大幅度的锯齿波，则不宜采用这种电路。此外，电路中采用了滑动变阻器，在对电路精度要求严格的场合下，不适合采用此电路。产生锯齿波可调幅度的锯齿波可调周期的锯齿波可调锯齿波的形状进行间歇性扫描单脉冲的锯齿波七、结论与心得用集成运算放大器实现的锯齿波发生器电路基本上符合了要求，还用了555定时器做间歇扫描，反相比例运算电路做调幅作用；电路优点:它不仅电路简单，器件选择灵活，而且性能较好。电路的不足之处：电路中通过1R引入了深度的负反馈，以保证集成运放工作在线性区，在线性区内，差模输入电压的范围特别小，这就限制了集成运放输入电压的幅度，如果想得到更大幅度的锯齿波，则不宜采用这种电路。此外，电路中采用了滑动变阻器，在对电路精度要求严格的场合下，不适合采用此电路。八、参考文献[1]李继凯，模拟电子技术基础，科学出版社，2009。[2]李继凯，杨艳，数字电子技术基础，科学出版社，2009。[3]李淑明，模拟电子电路实验，电子科技大学出版社，2010。[4]邱关源，电路（第四版），高等教育出版社，2009。[5]百度文库。