方波转三角波转正弦波信号.docx
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方波转三角波转正弦波信号
成绩
课程设计报告
题目方波、三角波、正弦波信号
发生器设计
课程名称模拟电子技术课程设计
院部名称机电工程学院
专业电气工程及其自动化
班级
学生姓名
学号
课程设计地点
课程设计学时1周
指导教师
1、绪论············································································3
1.1课程设计目的··························································3
1.2课程设计的任务························································3
1.3课程设计的技术指标··················································3
2、信号发生器的基本原理····················································4
2.1原理框图·································································4
2.2总体设计思路···························································4
3、各组成部分的工作原理···················································5
3.1正弦波产生电路·······················································5
3.1.1正弦波波产生电路的工作原理·································5
3.2正弦波到方波转换路··············································6
3.2.1正弦波到方波转换电路图····································7
3.2.2正弦波到方波转换电路的工作原理························7
3.3方波到三角波转换电路··············································7
3.3.1方波到三角波转换电路图····································8
3.3.2方波到三角波转换电路的工作原理························9
4、电路仿真结果·······························································10
4.1正弦波产生电路的仿真结果·········································10
4.2三角波到正弦波转换电路的仿真结果······························10
4.3方波到三角波转换电路的仿真结果································10
5、设计结果分析与总结·······················································11
1.绪论
1.1课程设计的目的
课程设计的目的在于巩固和加强电子技术理论学习,促进其工程应用,着重于提高学生的电子技术实践技能,培养学生综合运用所学知识分析问题和解决问题的能力,了解开展科学实践的程序和基本方法,并逐步形成严肃、认真、一丝不苟、实事求是的科学作风和一定的生产观、经济观和全局观。
1.2课程设计的任务
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器。
1.3课程设计的技术指标
.设计.组装.调试函数发生器2.输出波形正弦波.方波.三角波3.频率范围0.02—20kHZ范围内可调4.输出电压方波幅值为5V正弦波幅值为±5V三角波峰-峰值为5V占空比可调。
1.4课程设计题目及要求
信号发生器是一种能够产生多种波形,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,可以用于生产测试、仪器维修和实验室,还广泛使用在其它科技领域,如医学、教育、化学、通讯、地球物理学、工业控制、军事和宇航等。
它是一种不可缺少的通用信号源。
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,如:
①首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;②也可以首先产生三角波—方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波;③也可以通过单片集成函数发生器8038来实现……。
先是对电路的分析,参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。
在达到课题要求的前提下保证最经济、最方便、最优化的设计策略。
然后运用仿真软件Multisim对电路进行仿真。
观察效果并与课题要求的性能指标作对比。
2、信号发生器的基本原理
2.1原理框图
2.2总体设计思路
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术,本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种,如首先产生正弦波,然后通过整形电路将正弦波变换成方波,再由积分电路将方波变成三角波;也可以首先产生三角波—方波,再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。
本课题采用先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法,
本课题中函数发生器电路组成框图如下所示:
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路,比较器输出的方波经积分器得到三角波,三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
差分放大器具有工作点稳定,输入阻抗高,抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器时,可以有效地抑制零点漂移,因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
3、各组成部分的工作原理
3.1正弦波产生电路
3.1.1正弦波产生电路的工作原理
图为RC桥式正弦波振荡器。
其中RC串、并联电路构成正反馈支路,同时兼作选频网络,R6、R5、RW及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器RW,可以改变负反馈深度,以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1、D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1、D2采用硅管(温度稳定性好),且要求特性匹配,才能保证输出波形正、负半周对称。
R8的接入是为了削弱二极管非线性的影响,以改善波形失真。
电路的振荡频率
起振的幅值条件
Rf/R5≥2
式中Rf=RW+R7+(R8//rD),rD—二极管正向导通电阻。
调整反馈电阻Rf(调RW),使电路起振,且波形失真最小。
如不能起振,则说明负反馈太强,应适当加大Rf。
如波形失真严重,则应适当减小Rf。
改变选频网络的参数C或R,即可调节振荡频率。
一般采用改变电容C作频率量程切换,而调节R作量程内的频率细调。
反馈网络1反馈系数为FV=VF/V0=sCR/1+3sCR+s2C2R2
就实际的频率而言,可用s=jω替换,则得
如令
则上式变为
由此可知RC串并联选频网络的幅频响应
当
或
时,幅频响应的幅值为最大,即
FVMAX=1/3
这就是说,当
时,输出电压的幅值最大,并且输出电压是输入电压的1/3
同时输出电压与输入电压同向。
所用元件:
电阻,电容,二极管,LM324运算放大器,滑动变阻器
元件参数:
R全部取10kΩ,电容全部取100nF,运算放大器两端电压为-5v,5v。
3.2正弦波到方波的转化电路
3.2.1正弦波到方波的转化电路图
3.2.2三角波到正弦波转换电路的工作原理
在单限比较器中,输入电压在阀值电压附近的任何微小变化,都将引起输出电压的跃变,不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。
因此,虽然单限比较器很灵敏,但是抗干扰能力差。
而滞回比较器具有滞回特性,即具有惯性,因此也就具有一定的抗干扰能力。
从反向输入端输人的滞回比较器电路如图所示,滞回比较器电路中引人了正反馈。
从集成运放输出端的限幅电路可以看出,UO=±UZ。
集成运放反相输人端电位UP=UI同相输入端电位。
UT1=
UREF-
UZ
UT2=
UREF+
UZ
本电路中UREF=0,所以
UT1=-
UZ
UT2=
UZ
集成运放处于开环状态,工作在非线性区,输入信号Ui加在正向输入端,当输入信号为正时,即U+为正时,U+>U-,则输出为正。
当输入信号为负时,即U+为负时,U->U+,则输出为负,如此周而复始,在集成运放输出端便得到了矩形波。
所用元件:
LM339运算放大器,正负5v直流电源,以及3.1中的元件
元件参数:
R1,R102KΩ,R2100KΩ,R91KΩ,R1110KΩ
3.3方波到三角波转换电路
3.3.2方波到三角波转换电路的工作原理
积分电路分工为:
U0=-
+u0(t1)
当电源接通时,假设电容器初始电压为零,集成运放A2输出电压为正饱和电压值+Uz,积分器输入为+Uz,电容C开始充电,输出电压Uo3开始减小,u+值也随之变小,当Uo3减小到-(R9*Uz)/R10时.u+由正值变为零,滞回电压比较器A2翻转,集成运放A2的输出Uo2=-Uz.
当Uo2=-Uz时,积分器输入负电压,输出电压Uo3开始增大,u+值也随之增大,当Uo3增加到(R9*Uz)/R10时,u+由负值变为零,滞回电压比较器A1翻转,集成运放A2的输出Uo2=Uz,
此后,上述过程不断重复,便在A2的输出端得到幅值Uz的矩形波,A3输出端得到三角波。
电仿真中信号源为方波,f0=1Kz,Umax=2V,
电路中R=10K,C=1.1uF,
由公式U0=-
+u0(t1)取四分之一同则
T从0ms到0.25ms
U0=-1/(104×1.1×10-6)×0.25×10-3t+2
所用元件:
电阻,电容,LM324运算放大器,正负5v直流电源。
元件参数:
R13=9.1KΩ,R12=10KΩ,R14=100KΩ,C=100nF
4、电路仿真结果
4.1正弦波波产生电路的仿真结果
4.2三角波到正弦波转换电路的仿真结果
4.3方波到三角波转换电路的仿真结果
5、设计结果分析与总结
该电路分为三部分,第一部分为RC桥式正弦振荡电路,其功能是利用RC振荡产生特定频率的正弦波;第二部分为电压比较器电路,其功能为将正弦波转成方波;第三部分为积分电路,其功能为利用积分电路将方波转成三角波;
在正弦波产生电路中f=1/(2∏RC),改变RC的值可以改变电路的信号频率,在电压比较器中,改变参考电压UREF的值可以改变方波的比例。
本次试验是本人第一次亲身体会自己动手查资料、设计电路、仿真等过程,个人感觉收获很大。
每当电路要成功时,当时的心情是那么的激动,但是前几次都没有成功,在我的不断努力、不断探索、不断查资料之下,终于将电路设计成功,在成功之时心情真的是好极了!
当本人拿到课程设计题目时感觉很茫然,不知道从何入手,只有一张设计要求、没有工具、没有资料、没有材料,如何能完成设计要求呢!
后来经过本人上网查资料了解到电路设计好了之后可以使用Multisim对其进行仿真,无需将电路事物图做出来。
用Multisim10对电路进行仿真真的很方便,而且安全,还便于对电路进行修改。
在实验过程中,我遇到了不少的问题。
比如:
波形失真,甚至不出波形一样的问题。
在老师和同学的帮助下,把问题一一解决,那种心情别提有多高兴啊。
实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题,有些理论知识还处于懵懂状态,只知其一不知其二,还有待加强。
参考文献
1.康华光.《电子技术基础》模拟部分(第五版).高等教育出版社.2007
2.杨欣.莱.诺克斯.王玉凤.刘湘黔.《电子设计从零开始》第2版.清华大学出版社,2010
3.郭培源.《电子电路及电子器件》(第2版).高等教育出版社,2003