正弦波方波锯齿波转换器的设计.docx
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正弦波方波锯齿波转换器的设计
钦州 学 院
模拟电子技术课程设计报告
正弦波——方波——锯齿波函数转换器
院系物理与材料科学学院
专业
学生班级
姓名
指导教师单位物理与材料科学学院
指导教师姓名
指导教师职称副教授
2013年4月
正弦波——方波——锯齿波函数转换器
自动化（过程控制）专业2010级3班某某某
指导教师某某某
摘要：
正弦波和非正弦波发生电路常作为信号源被广泛地应用于无线电通信以及自动测量和自动控制等系统中。
通常把既能产生正弦波又能产生三角波、方波、锯齿波等非正弦输出信号的电路叫作函数信号发生器。
本设计中依靠自激振荡产生正弦波，再通过过零比较器生成方波，振荡器将方波积分产生三角波，三角波通过改变正反象积分速度可生成锯齿波。
完成后该电路能实现正弦波、方波和锯齿波的转换，且它们的幅值、频率可调，且锯齿波的占空比可调。
关键词：
正弦波，方波，锯齿波，RC振荡，积分电路
设计目的:
⑴进一步掌握模电电子技术课程所学的理论知识。
⑵熟悉几种常用集成放大器LM324N芯片，并掌握其工作原理，进一步学会使用其进行电路设计。
⑶掌握Multisim仿真软件的使用。
设计技术指标与要求:
（1）基本功能
依靠RC振荡电路产生正弦波，再通过过零比较器生成方波，振荡器将方波积分产生三角波，三角波通过改变正反象积分速度可生成锯齿波。
进而实现正弦波、方波和锯齿波的转换。
（2）基本要求
①输出波形频率范围为0.02Hz~20kHz且连续可调；
②正弦波幅值为±2V，；
③方波幅值为2V；
④锯齿波峰-峰值为2V，占空比可调。
前言
在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。
信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。
可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。
波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。
传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展。
随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。
与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便。
1正弦波——方波——锯齿波函数转换器
1.1设计思想
1.1.1设计方案
方案一利用LM324芯片和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—锯齿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锯齿波。
电路结构图如图1.1所示，对应波形转换如图1.2所示。
图1.1电路结构图
图1.2波形转换图
方案二采用直接频率合成器，从信号的幅度相位关系出发进行频率合成。
1.1.2方案论证与选择
方案一简易多波形函数发生器是LM324在波形发生电路中的应用，分别通过RC震荡产生正弦波行，滞回比较器产生方波波形，然后方波通过一个正反向积分速度不同的积分电路得到锯齿波的输出。
优点：
“基于LM324的简易多波形信号发生器”使用很少的元件就能满足题目要求，电路简单，调试和仿真方便，造价低廉。
缺点：
稳定性相对较差，抗干扰能力相对较弱。
方案二能实现快速频率变换，具有低相位噪声以及所有方法中最高的工作频率。
但由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂、体积庞大、成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。
相对而言，方案一较为合理有效，且较易于实现，因此选择方案一。
1.1.3设计所需原件
（1）3个220nF电容；
（2）2个2KΩ、2个10KΩ、1个5KΩ、1个23KΩ电阻和3个10KΩ、1个50K、1个150KΩ电位器；
（3）2个滤波二极管（IN4148）和2个稳压二极管（IN46843.3V）；
（4）1个集成放大芯片LM324。
1.1.4芯片分析
本设计使用的唯一芯片是放大器LM423N。
LM324N是四组运算放大器,额定电源电压:
+15V。
管脚如图1.3所示。
图1.3LM324N芯片管脚功能图
2工作原理
2.1正弦波发生电路的工作原理
2.1.1正弦波振荡电路
它是不需外接输入信号就能将直流能源转化成具有一定振幅和一定频率的正弦波电路。
正弦波振荡电路框图如图1.4所示。
图1.4正弦波振荡电路框图
2.1.2正弦波振荡电路的振荡条件
由上图可知，如在放大电路的输入端（1端）外接一定频率，一定幅度的正弦波信号
，经过基本放大电路和反馈网络的所构成的环路传输后，在反馈网络的输出端（2端），得到反馈信号
，如果
与
在大小和相位上都一致，那么就可以除去外接信号
，而将1、2两端连接在一起（如图b虚线所示）而形成闭环系统，其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。
这样，由于
=
，便有
或
在上式中，设
=A
，则可得到
即：
这是正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件。
振荡电路的振荡频率f0是由相位平衡条件来决定的，一个正弦波振荡电路只在一个频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f0，这就要求在
环路中包含一个具有选频特性的网络，简称选频网络。
2.1.3起振和稳振
起振条件
振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，其信号来源于电路电器中的噪声，在噪声中，满足相位平衡条件的某一频率ω0的噪声信号被RC串并联选频网络选择放大，成为振荡电路的输出信号。
当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。
稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从A（ω）F（ω）>1回到A（ω）F（ω）=1。
2.1.4RC串并联选频网络的选频特性
如图1.5所示。
反馈系数
又令s=jω,
=
图1.5RC串并联选频网络
则
幅频响应
相频响应
当时，幅频响应有最大值
相频响应
2.1.5文氏电桥RC振荡器
如图1.6所示。
图2.5文氏电桥RC振荡器
当
电路满足相位平衡条件
此时若放大电路的电压增益为
即
=2
则振荡电路满足振幅平衡条件
2.2方波发生电路工作原理
如图2.6所示：
图2.6方波发生电路工作原理图
一定频率的正弦波通过“过零比较器”生成占空比为50%的且频率与正弦波相同的矩形波，即方波，输出为幅值为2V的方波可以通过2V的双向稳压管实现。
2.3锯齿波发生电路工作原理
图2.7锯齿波发生电路工作原理图
改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。
3电路仿真
3.1仿真电路图
在计算机上使用multisim对设计的二阶滤波器进行仿真，仿真的结果为基本实现最初的设计目标，仿真电路如图2.8所示。
图2.8正弦波、方波、锯齿波函数转换器仿真图
3.2仿真波形图
图2.9正弦波、方波仿真图
图3.0锯齿波仿真图
仿真出来的波形中正弦波的幅值为±1.8V，方波的幅值为4V，锯齿波的幅值为1.85V。
本电路图仿真出来的频率只能在几十HZ到几百HZ之间波动，这是本电路的最大问题。
4电路连接测试
4.1安装焊接
计算机上使用Multisim绘制电路并按电路总图2.8，在万用板上焊接电路元器件实物，检查电路的电气连通性能正常。
设计实物的正、反面图如图3.1、图3.2所示，测试出来的波形图如图3.3、3.4、3.5所示。
图3.1设计实物正面
图3.2设计实物反面
图3.3正弦波实测波形图
图3.4方波实测波形图
图3.5锯齿波实测波形图
实测出来的波形中，正弦波的幅值较接近要求的幅值，方波和锯齿波的幅值都普遍较大，这可能与焊接和硬件有关。
实测的频率与仿真出来的较接近，但都无法达到设计要求的频率，这可能与设计的电路图有关，待以后加以改进。
5总结
由于此次是首次课程设计，在设计的时候考虑问题不够全面，在器件选择方面存在一定的问题，一些基础的知识还没有很好的掌握。
但是经过这次课程设计，我进一步加深了对以前所学模电知识的理解，还有就是明白了信号产生的原理和实现方法，学会相关软件的使用。
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