设计题目如何实现正弦波方波与三角波信号之间的变换.docx
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设计题目如何实现正弦波方波与三角波信号之间的变换
内蒙古工业大学信息工程学院
课程学习报告
设计题目：
如何实现正弦波、方波与三角波信号之间的变换
课程名称：
模拟电子技术
班级：
通信10-1班
姓名：
学号：
成绩：
指导教师：
设计题目：
如何实现正弦波、方波与三角波信号之间的变换
一、课题设计任务与要求
1、输出电压：
0-1V之间
2、频率范围：
20Hz-20kHz之间
3、信号频率：
1KHz的正弦波、2KHz的方波和三角波
任务如下：
1KHz的正弦波
2KHz的正弦波
2KHz的方波
2KHz的三角波
二、总体电路设方案
（1）函数信号发生器设计思路
①产生正弦波可以通过RC文氏电桥正弦波振荡电路，通过控制RC的值达到选频即控制频率大小的目的。
②产生的方波经RC积分电路后输出，得到三角波，为调节幅值，则用电压跟随器隔离三角波输出端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。
③要先产生方波，就必须先用电压比较器和稳压管组成方波产生电路，为调节幅值，则用专用的电压跟随器隔离方波产生端，再用电位器接在运放输出端调节电压输出幅值。
（2）函数信号发生器原理
函数信号发生器是一种用来产生特定需要波形信号的装置，比较常见的有方波、三角波、正弦波和锯齿波发生器。
本实验用来产生正弦波--方波--三角波信号。
正弦波发生器：
采用RC桥式振荡电路实现输出为正弦波。
②正弦波转换成方波发生器:
采用电压比较器与稳压管相结合，实现输出为方波。
③方波转三角波发生电路：
将RC积分电路与运放结合，实现方波转三角波。
（图一）正弦波发生电路图
（图二）正弦波转换成方波发生电路图
（图三）方波转换成三角波发生电路图
三、电路设计与原理说明
1、正弦波发生电路的工作原理
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。
其中：
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。
因此，正弦波产生电路一般包括：
放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅电路等各部分。
RC文氏电桥的正弦波振荡电路中，RC为串、并联选频网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。
其余部分是带有负反馈的同相放大电路，R1、R2、Rp构成负反馈网络，调节Rp课改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压增益，使其满足振荡的幅值条件。
图中二极管D1、D2的作用是有利于正弦波的起振和稳定输出幅值，改善输出波形。
当输出电压V0的幅值很小时，D1、D2开路，等效电阻Rf较大，Avf=Vo/Vp=（R1+Rf）/R1较大，有利于起振；而当输出电压V0的幅值较大时，二极管D1、D2导通，Rf减小，Avf随之下降，v0幅值趋于稳定。
2、正弦波转方波发生电路的工作原理
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1a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
此电路由反相输入的滞回比较器和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，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=+Ut,再稍增大，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=-Ut,再减小，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。
本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号，其传输特性曲线如下图所示：
正弦波传输特性
3、方波转三角波电路
若a点断开，整个电路呈开环状态。
运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。
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，R1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。
当输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：
4、元器件选择和电路参数计算说明
做的电路仿真要求能得出正确的正弦波、方波及三角波的图形，并且应尽量减少RC串、并联选频网络中，振荡角频率
0=
则正弦波的频率f=
=
，选择的电容值为0.033µF，而所要求的频率值为1kHz，可以计算出选频网络中的电阻值为R=
=5.1k
。
方波三角波的振荡频率相同。
电路中，输出方波的幅值由稳压二极管决定，被限制在+Vz—-Vz之间，三角波的幅值Vo2m=
，因Vo2由0上升到Vo2m所需的时间为1/4T，故Vo2m=
，如果要维持三角波的幅值不变，则R1、R2之比应固定。
，所要求的频率值为2kHz，因而可以适当的选择电阻值，R1=10k
，R2=20k
，R=5.1k
.
（图四）总电路图
5、电路仿真
（1）测试要求
做的电路仿真要求能得出正确的正弦波、方波及三角波的图形，并且应尽量减少失真，调节合适的频率，振幅等，使最终能得到尽量完美的波形图。
测量的几组频率值也应该和理论值有较小的误差。
（2）仿真结果分析
（图五）正弦波波形
（图六）方波波形
（图七）三角波波形
（3）电路的误差分析与改进
本实验有很多的误差存在，正弦波失真。
调节R100K电位器RW4，可以将正弦波的失真减小到1%，若要求获得接近0.5%失真度的正弦波时，在6脚和11脚之间接两个100K电位器就可以了。
输出方波不对称，改变RW3阻值来调节频率与占空比，可获得占空比为50%的方波，电位器RW3与外接电容C一起决定了输出波形的频率，调节RW3可使波形对称。
没有振荡，是10脚与11脚短接了，断开就可以了。
产生波形失真，有可能是电容管脚太长引起信号干扰，把管脚剪短就可以解决此问题。
也有可能是因为2030功率太大发热导致波形失真，加装上散热片就可以了。
本次实验的偏置电压为12V，偏大，容易造成功放和电容的损坏，所以我们应该在设计电路时在加一个限流保护的负载来减小电流，保障电路得安全。
四、设计总结反思
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
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。
刚开始着手开始做的时候，只知道设计要求，没有一点头绪，看着设计任务似乎并不难，但是当真正开始却不知道从何下手。
后来经过反复的看课本以及上网查询资料才慢慢对本次的课程设计有个大致的体会，于是开始一步步的去做，遇到不会的就看书，书上看不懂就上网查找资料。
在复习以前学过的电路知识的同时，我也加紧学习了Multisim这款电路设计软件，这是一款对于我来说异常强大的软件，所有以前做的电路实验都可以在这款软件上面完成。
我学习了很长时间也不过刚刚懂一些皮毛，仍然不能完全弄懂软件中有些部件的功能。
在确定自己可以用这款软件来设计电路的是时候我就开始设计自己的电路图和确定元件的参数了。
在搭建电路的时候，我切实体会到了想要把书本上的而知识运用到实际中去是一件十分困难的事情。
课本上理所当然的电路以及实验结果在仿真的过程中需要多次进行耐心的调试甚至需要把一切都推到了重新来做。
在做正弦波的发生器时，出来的波形总是被削去了顶，怎么调试都没有用，在检查完电路没有任何问题的时候，我就知道一定是设计上出了问题，于是在经过分析之后发现只要调节滑动变阻器到百分之七十就可以出现完整的正弦波，参考电压的选择错误是我一开始就没有想到的。
本来认为完美的电路图，到了出结果的时候却频频出错，波形不稳定也是出现的问题之一，甚至根本就没有波形出现。
于是我深刻认识到了“理论联系实际”这句话的重要性与真实性。
通过对函数信号发生器的设计，我深刻认识到了而且通过对此课程的设计，我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识，明白了学以致用的真谛。
在设计过程中碰到许多不同的问题，与理论有所差距，明白理论和实践还是有差距的，我们不能只学理论而不实践，要多结合理论进行实践，这样才更加理解掌握知识，把理论应用于实践，从实践中得出结论。
五、参考文献
◆《模拟电子技术基础》,第四版，童诗白、华成英主编，高等教育出版社
◆《电子技术基础》,第五版，康华光主编,高等教育出版社。
◆《电子线路设计》,谢自美主编,华中科技大学出版社.
◆《信号发生电路原理与使用设计》，林志琦主编，人民邮电出版社
◆《电子电路分析与设计》，劳五一劳佳主编，清华大学出版社
◆电子工程世界网，论坛：
◆知网空间，《高频方波三角波正弦波发生器MAX038及其应用》
◆道客巴巴，《正弦波-方波-三角波发生电路设计》
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