课程设计波形发生器.doc

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简易波形发生器

1.概述

波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。

函数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。

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。

通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。

本课程采用采用RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。

先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。

2．设计方案

采用RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。

先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。

文氏桥振荡器产生正弦波输出，其特点是采用RC串并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率f=1/2πRC.改变RC的值，可得到不同的频率正弦波信号输出。

用集成运放构成电压比较器，将正弦波变换成方波输出。

用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波。

原理框图如图2-1

文氏桥振荡器

方波形成电路

三角波形成电路

频率选择控制

直流电源

图2-1设计方案一框图

3.设计原理

3.1正弦波产生电路

正弦波由RC桥式振荡电路（如图3-1所示），即文氏桥振荡电路产生。

文氏桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点而大量应用于低频振荡电路。

正弦波振荡电路由一个放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。

其振荡平衡的条件是AF＝1以及ψa+ψf=2nπ。

其中A为放大电路的放大倍数，F为反馈系数。

振荡开始时，信号非常弱，为了使振荡建立起来，应该使AF略大于1。

放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。

正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有

（Rf=R2+R1//D1//D2）

且振荡产生正弦波频率

图中D1、D2的作用是，当Vo1幅值很小时，二极管D1、D2接近开路，近似有Rf＝9.1K＋2.7K＝11.8K，，Av=1+Rf/R1=3.3>=3,有利于起振；反之当Vo的幅值较大时，D1或D2导通，Rf减小，Av随之下降，Vo1幅值趋于稳定。

3-1正弦波产生电路

3.2正弦波——方波产生电路

如图,Vo1为正弦信号输入，经过迟滞比较器u2后输出方波Vo2。

电路工作原理：

运放同相端接基准电压，即U+=0,反相端输入电压Vo1，R8称为平衡电阻。

当比较器的U+=U-=0时，输出Vo2从高电平跳到低电平,或从低电平跳到高电平。

此时

由于Vo2=±Vz,可得上、下门限电压为

正弦波输入信号Vo1在上升到Vt+之前，Vo2保持不变，超过Vt+后Vo2翻转，直到Vo1下降到Vt-，Vo2再翻转，如此反复便形成Vo2方波输出。

图3-2正弦波——三角波产生电路

3.3方波——三角波变换电路

图3-3方波——三角波变换电路

此电路由反相输入的过零比较器和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。

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≥0,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≤0,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。

±UT=±R2∕（R6+RW）U02mT=2R6（R6+RW）C3∕R7

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，R6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。

由以上公式可得比较器的电压传输特性.

　当输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo3为

　Uo=+Uz,D5导通,D6截止，Uo3=-1/（R6C）Uz（t1-t0）+Uo（t0）

Uo=-Uz,D6导通,D5截止,Uo3=1/（R6+Rw'）Uz（t2-t1）+Uo（t1）

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不相等的占空比可调的三角波.

经计算，如果选R6=1k,则R7=10K，C=100nF.

三角波图与方波图3-4所示：

图3-4方波与三角波

3.4正弦波——方波——三角波发生电路

图4-5完整波形发生器电路图

3.5电源电路设计

制作方法是利用桥式整流器与稳压IC搭配适当规格之电容构成整流电路，将一般常用之220伏特电源转为±15Vdc之电源，其电路图如图8所示，220伏特电源经桥式整流器后，利用三端稳压IC7815与7915将电压值调整至±15Vdc，其中7815为正电压调整器用以稳定电压至＋15V,7915则进行负电压调整。

图3-6供电电路

4主要元器件的工作原理及参数

4.1变压器

变压器是电子电路，用来升压降压的电力变压器，变压器的原理是电磁感应技术,变压器有两个分别独立的共用一个铁芯的线圈。

分别叫作变压器的次级线圈和初级线圈。

电流的方向和大小随时间变化的,变压器初级通上交流电时,变压器的铁芯中产生了交变的磁场（其中接电源的绕组叫初级线圈，其余的绕组叫次级线圈），在次级就感应出频率相同的交流电压.变压器的初次级线圈的匝数比等于电压比。

变压器只能改变交流电压,不能改变直流电压,因为直流电流是不会变化的,电流通过变压器不会产生交变的磁场，所以次级线圈只能在直接接通的一瞬间产生一个瞬间电流和电压。

变压器的主要参数：

电压比n=U1/U2=N1/N2

效率η=P2/P1*100%

额定功率P

4.2桥式整流电路

桥式整流电路由四个二极管组成，如图4-1所示。

图4-1桥式整流电路

工作原理：

U2正半周时:

D1、D3导通，D2、D4截止

U2负半周时：

D2、D4导通，D1、D3截止

主要参数：

输出电压平均值：

UL=0.9U2

输出电流平均值:

IL=UL/RL=0.9U2/RL

流过二极管的平均电流：

ID=IL/2

二极管承受的最大反向电压：

25V–1000V

4.3三端稳压器

该稳压器内部设有电流过流﹑过热和调整管安全区保护电路，以防止过载而损坏，用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路简单，且安全可靠。

4.4稳压二极管

稳压器二极管也叫齐纳二极管，稳压原理：

给稳压二极管施加反向电压并使其值增大，当反向电压之值达到稳压二极管的稳定电压时，其正常雪崩击穿，若在此情况下，一定范围内改变电源电压的波动或改变负载电流的大小，齐纳电流IZ和动态电阻随之而改变，然而，齐纳电压UZ却稳定不变。

稳压二极管串联一个电阻来提供一个稳定的参考电压VREF，其中稳压二极管选用1N4735，其稳定电压为6.2V，限流电阻R13选用1K。

稳压二极管1N4735的重要参数：

最大工作电流IZM

稳定电压UZ

动态电阻RZ

4.5集成运算放大器

集成电路运算放大器是一种高电压增益、高输入电阻和低输入电阻的多级直接耦合放大电路，它的种类很多，电路也不一样，但结构具有共同之处，如下图4-2表示集成运放的内部电路组成的原理框图。

差分输入级

电压放大级

输出级

偏置电流

图4-2集成运放的内部电路组成的原理框图

如图4-2集成运放的输入级一般是由BIT、JFET或MOSFET组成的差分式放大电路，利用它的对称特性可以提高整个电路的共模抑制比和其他方面的性能。

它的两个输入端构成整个电路的反相输入端和同相输入端。

电压放大级的主要作用是提高电压增益，它可由一级或多级放大电路组成。

输出级一般由电压跟随器或互补电压跟随器所组成，以降低输出电阻，提高带负载能力。

偏置电路是为个级提供合适的工作电流。

其代表符号和输入输出传输特性如图4-3所示。

VT-

VT+