波形转换.docx

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波形转换

转换为方波

一、性能指标：

将周期性变化的波形变为方波。

:

0.8v--5v

占空比：

0.5

频率：

200kHz

二、方案论证：

实验原理：

电压比较器可将周期性变化的波形转化为方波。

1、在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。

2、通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。

3、电压传输特性的三要素是输出电压的高电平、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。

输出电压的高低决定于限幅电路；令

所求出的

就是阈值电压；

等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。

电压比较器的种类：

单限比较器、滞回比较器、窗口比较器。

a、单限比较器：

电路只有一个阈值电压，输入电压

逐渐增大或逐渐减小时，当通过

时，输入电压

产生跃变，从高电平

跃变到低电平

或者从

跃变为

。

在单限比较器中，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都会引起输出电压的跃变，不管这种微小变化时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，但是抗干扰能力很差。

一般单限比较器的电路图：

b、滞回比较器:

电路有两个阈值电压，输入电压

从小变大过程中使输出电压

产生跃变得阈值电压

不等于从大到小过程中使输出电压

产生跃变的阈值电压

电路具有滞回特性。

它与单限比较器的相同之处在于：

当输入电压向单一方向变化时输出电压只跃变一次。

有滞回特性,具有抗干扰能。

c、窗口比较器：

电路有两个阈值电压，输入电压

从小变大或从大变小过程中使输出电压

发生两次跃变。

窗口比较器与前两种比较器的区别在于：

输入电压向单一方向变化过程中，输出电压跃变两次。

三种电压比较器电压传输特性如下：

通过以上三种比较器的描述，最终选择滞回比较器。

三、系统硬件电路设计：

电路原理图：

1、芯片的选择:

运放可以做比较器电路，但性能较好的比较器比通用运放的开环增益更高，输入失调电压更小，共模输入电压范围更大，压摆率较高（使比较器响应速度更快）。

另外，比较器的输出级常用集电极开路结构，比较器外部需要接一个上拉电阻或者直接驱动不同电源电压的负载，应用上更加灵活。

比较器工作在非线性条件下,强调的是翻转速度,放大器用于放大,比较注重的是线性.当用比较器作放大时会发现放大输出失真,即使放大负反馈较深也非常明显,而用运放做比较器时,会发现翻转速度不够。

常用的比较器有：

LM324、LM358、uA741、TL081\2\3\4、OP07、OP27，而专业比较器有lm339、lm311和lm393，它们切换速度快，延迟时间小。

但lm311比lm339的切换速度更快，因此选择lm311.

Lm311的特性：

2、电源的选择：

在lm311的特性中，

双电源运放的输出电压范围可以跨越零位达到正负电压输出，而单电源运放则不行。

故选择双电源供电。

在这里选择+5v的电源。

3、电容的选择：

本实验的电容主要是为了去耦，所以选择适当的4.7uf电容。

4、上拉电阻R3的确定：

上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。

上拉电阻的阻值会影响逻辑电平转换上升/下降沿的速度。

上拉电阻阻值过高会使上升速度减慢即响应速度降低。

而且上拉电阻将会提高输出电压的幅值，所以选择滑动变阻器作为上拉电阻，阻值选20kΩ。

5、稳压管的选择：

稳压管主要是起限幅作用，本实验要求两个稳压管相同，所以选择3.6v的稳压管。

6、电阻R1、R2的确定：

由

可得

，改变R1和R2的值即可得到

。

为产生方波，需要是输入信号的电压峰值

大于阈值电压

。

即

所以R1/（R1+R2）<0.4/3.6=0.11，即取R1=750Ω,R2=560kΩ，

四、系统调试和分析：

a、仿真结果：

由电路仿真的结果可以看出，周期性变化的波形结果将出现方波，仿真结果与电路设计思路一致。

b、实际情况：

输入正弦波、三角波、方波：

1、在频率为200kHZ的正弦波，随着幅值的增大，占空比在0.5左右。

2、在频率为200kHZ的方波，随着幅值的增大，正占空比将增大，

5v时正占空比在0.55左右。

3、在频率为150kHZ的三角波，随着幅值的增大，正占空比会偏大一点，5v时正占空比在0.51左右。

上升的时间：

160ns，下降的时间：

44ns，所以响应时间为160+44=204ns。

占空比没有达到0.5，而且输出的电压没有达到5v，可能原因是阈值电压设置出现问题。

c、误差分析：

1、当上拉电阻阻值增大时，将会出现下列的波形：

操作步骤：

调节滑动变阻器，使上拉电阻的阻值减小。

2、当上拉电阻阻值减小时，将会出现下列的波形：

操作步骤：

调节滑动变阻器，使上拉电阻的阻值增大。

d、PCB板及实物图片：

五、总结和改进方案：

1、实验过程中，如果将稳压管方向接反，将无法输出正常的波形，而且稳压管会出现反向击穿，在+5v时会产生很高的温度，这是实验时应该注意的。

如果将比较器接反，比较器的温度会立即上升。

改进方案：

加限流电阻：

稳压二极管的端电压有一定范围，稳压电路中的限流电阻与稳压二极管是串联连接，它可以起到分压作用，当电压偏大的时候，不至于使加在稳压二极管两端的电压值过大。

所以就起到限制了流过稳压电路的电流不至于过大的作用，从而保护了稳压二极管不至于毁坏。

改进后的电路图及PCB板如下：

进一步改进：

将稳压二极管去掉，上拉电阻直接接在高电平，上拉电阻同时起限流作用。

结果显示的波形的占空比在0.5左右，而且输出的峰峰值为高电平的幅值，其原理图如下：