正弦波方波锯齿波函数发生器.docx
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正弦波方波锯齿波函数发生器
课程设计说明书
课程设计名称:
模拟电路课程设计
课程设计题目:
正弦波方波锯齿波函数发生器
学院名称:
信息工程学院
专业:
电子信息工程班级:
学号:
姓名:
评分:
教师:
2011年04月07日
《模拟电路》课程设计任务书
2010-2011学年第2学期 第1周-2周
题目
设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器
内容及要求
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 三角波峰-峰值为2V,占空比可调;
⑤ 设计电路所需的直流电源可用实验室电源。
进度安排
1.布置任务、查阅资料、选择方案,领仪器设备:
2天;
2.领元器件、制作、焊接:
3天
3.调试:
2天
4.验收:
0.5天
学生姓名:
朱翔
指导时间2011年2月21日~2011年3月4日
指导地点:
E楼610室
任务下达
2011年2月21日
任务完成
2011年3月4日
考核方式
1.评阅□√2.答辩□3.实际操作□√ 4.其它□
指导教师
彭嵩
系(部)主任
陈琼
注:
1、此表一组一表二份,课程设计小组组长一份;任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
本次课程设计是要求做一个能够产生正弦波-方波-三角波函数转换器.众所周知,制作函数发生器的电路有很多种.本次设计采用的电路是基于运放和晶体二极管的试验电路.
由理论分析知,电压比较器可以产生方波,积分电路可以产生三角波,三角波可直接通过RC振荡电路产生.各种波形频率段的调整可以由外电路的改变来实现,例如,改变电容的值.
先收集所有有用的资料,选择好电路图。
最后使用multisim软件模拟整个制作的电路,在模拟中,要解决出现的种种问题.
关键字:
RC振荡,电压比较器,积分电路
第一章设计的目的及任务…………………………………………………5
1.1课程设计的目的……………………………………………5
1.2课程设计的任务与要求……………………………………5
1.3课程设计的技术指标………………………………………5
第二章总体电路设方案……………………………………………………6
2.1正弦波发生电路的工作原理…………………………………6
2.2正弦波转换方波电路的工作原理……………………………9
2.3方波转换成三角波电路的工作原理…………………………11
2.4总电路图………………………………………………………12
第三章单元电路设计…………………………………………………………13
3.1正弦波发生电路的设计………………………………………13
3.2正弦波转换方波电路的设计…………………………………15
3.3方波转换成三角波电路的设计………………………………16
第四章电路仿真……………………………………………………18
4.1电路仿真……………………………………………………18
第五章收获体会……………………………………………………………20
第六章参考文献……………………………………………………………21
附录一……………………………………………………………22
附录二……………………………………………………………23
第一章设计的目的及任务
1.1课程设计的目的:
1.掌握电子系统的一般设计方法
2.掌握模拟IC器件的应用
3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力
4.掌握常用元器件的识别和测试
5.熟悉常用仪表,了解电路调试的基本方法
1.2课程设计任务与要求:
1.设计一个能产生正弦波、方波、三角波信号发生器,
2能同时输出一定频率一定幅度的3种波形:
正弦波、和三角波;
3可以用±12V或±15V直流稳压电源供电;
1.3课程设计的技术指标:
1.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:
在0.02Hz-20kHZ范围内可调;
4.输出电压:
方波幅值为2V,三角波幅值为2V,正弦波峰峰值为2V,占空比可调。
第二章总体电路设方案
2.1正弦波发生电路的工作原理:
产生正弦振荡的条件:
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;稳幅电路个部分。
正弦波振荡电路的组成判断及分类:
(1)放大电路:
保证电路能够有从起振到动态平衡的过程,电路获得一定幅值的输出值,实现自由控制。
(2)选频网络:
确定电路的振荡频率,是电路产生单一频率的振荡,即保证电路产生正弦波振荡。
(3)正反馈网络:
引入正反馈,使放大电路的输入信号等于其反馈信号。
(4)稳幅环节:
也就是非线性环节,作用是输出信号幅值稳定。
判断电路是否振荡。
方法是:
(1)是否满足相位条件,即电路是否是正反馈,只有满足相位条件才可能产生振荡
(2)放大电路的结构是否合理,有无放大能力,静态工作是否合适;
(3)是否满足幅度条件
正弦波振荡电路检验,若:
(1)
则不可能振荡;
(2)
振荡,但输出波形明显失真;
(3)
产生振荡。
振荡稳定后
。
此种情况起振容易,振荡稳定,输出波形的失真小
分类:
按选频网络的元件类型,把正先振荡电路分为:
RC正弦波振荡电路;LC正弦波振荡电路;石英晶体正弦波振荡电路。
RC正弦波振荡电路:
常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路,它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。
串并联网络在此作为选频和反馈网络。
它的电路图如图
(1)所示:
它的起振条件为:
。
它的振荡频率为:
它主要用于低频振荡。
要想产生更高频率的正弦信号,一般采用LC正弦波振荡电路。
它的振荡频率为:
。
石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定,它常用于振荡频率高度稳定的的场合。
图
(1)
2.2正弦波转换方波电路的工作原理:
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
令UN=UP求出的uI就是阀值电压,因此得出
输出电压在输人电压u,等于阀值电压时是如何变化的呢?
假设ui<-UT,那么UN一定小于up,因而UO=+UZ,所以up=+UYO。
只有当输人电压ui增大到+UT,再增大一个无穷小量时,输出电压UO才会从+UT跃变为-UT。
同理,假设UI>+UT,那么UN一定大于up,因而UO=-UZ,所以up=-UT。
只有当输人电压UI减小到-UT,再减小一个无穷小量时,输出电压UO才会从-UT跃变为+UT。
可见,UO从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的,电压传输特性如图b)所不。
从电压传输特性上可以看出,当-UT<uI<+UT时,UO可能是-UT,也可能是+UT。
如果uI是从小于-UT,的值逐渐增大到-UT曲线具有方向性,如图b)所示。
实际上,由于集成运放的开环差模增益不是无穷大,只有当它的差模输人电压足够大时,输出电压UO才为±UZ。
UO在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中,随着uI的变化,将经过线性区,并需要一定的时间。
滞回比较器中引人了正反馈,加快了UO的转换速度。
例如,当UO=+UZ、uP=+UT时,只要uI略大于+UT足以引起UO的下降,即会产生如下的正反馈过程:
UO的下降导致uP下降,而UP的下降又使得UO进一步下降,反馈的结果使UO迅速变为-UT,从而获得较为理想的电压传输特性。
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
2.3方波转换成三角波电路的工作原理:
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:
2.4总电路图
第三章单元电路设计
3.1正弦波发生电路的设计
本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波,其电路图如下所示
RC桥式正弦振荡电路
该电路Rf回路串联两个并联的二极管,如上图所示串联了两个并联的1BH62,这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点,加入非线性环节,从而使输出电压稳定。
此时输出电压系数为
Au=1+(Rf+rd)/R1
RC振荡的频率为:
f0=1/(2∏RC)
该电路中R=51KC=10nF
f0=1/(2*3.14*51000*10-8)≈312Hz
T=1/f0=1/312=3.2*10-3S=3.2ms
用Multisim10.0对电路进行仿真得到下图
仿真波形
从图中可得出产生的正弦波最大值Umax=13.000V;
T=799.220us×4=3196.88us≈3.2ms.
F0=1/T=312Hz.
仿真得出的数据与理论计算一样,电路正确。
3.2正弦波转换方波电路的设计
本电路中采用滞回电压比较器将正弦波转成方波,其电路原理如下图所示
滞回电压比较器电路原理图
滞回电压比较器原理前面有描述,此处不赘述。
本电路中用到的稳压管为1N5759A,其稳压电压为±1.7V
电路中阈值电压为:
UT1=
UREF-
UZ
UT2=
UREF+
UZ
本电路中UREF=0,所以
UT1=-
UZ
UT2=
UZ
用Multisim10.0对其进行仿真得到如下波形图
波形仿真:
从波形中可以得到方波电压为±0.35V,与理论一样,可得出电路是正确的。
3.3方波转换成三角波电路的设计
本电路中方波转成三角波采用积分电路,其电路原理如下图所示
积分电路图
积分电路分工为:
U0=-
+u0(t1)
电路仿真如下图所示
第四章电路仿真
4.1电路仿真
电路总体仿真图如下所示
总电路图如下所示
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,
第五章收获体会
在确定了电路、领好元器件之后,首先对电路进行了布局。
采是的方法是逐一焊接电路。
首先选择一个波形电路来焊接,在焊接完电路后并检查完一些焊接的小问题后,发现电路虽然可以工作。
但是并没有得到预期的效果。
波形出不来或是波形到时出来,但是效果却差强人意,并不能按照规律进行变化。
首先对照电路进行了检查,并将所有的焊点进行了重焊。
在排除了电路和焊接问题后。
对原理进行了分析,从而验证了电路的正确性。
电路能够正常工作。
从而确定了原理的正确性。
问题是:
开关存焊接上,因一些焊接点出问题,从而使电路无法按规律正常工作。
解决问题的方法是:
对电路进行重新焊接。
在确定第一个波形能工作后;再进行下一个波形的焊接工作,因为在焊接第一个波形图时出问题啦!
所以在焊接第二个波形时,焊接工作进行的很仔细,因而在后面的工作进展的很顺利,基本上没出什么问题,结果就出来了。
第六章参考文献
童诗白主编.模拟电子技术基础(第三版).北京:
高教出版社,2001
李万臣主编.模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社,2001.3
胡宴如主编.模拟电子技术.北京.高等教育出版社,2000
附录一
LM324
简介
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。
每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图2。
参数描述:
运放类型:
低功率 放大器数目:
4 带宽:
1.2MHz 针脚数:
14 工作温度范围:
0°Cto+70°C 封装类型:
SOIC 3dB带宽增益乘积:
1.2MHz 变化斜率:
0.5V/μs 器件标号:
324 器件标记:
LM324AD 增益带宽:
1.2MHz 工作温度最低:
0°C 工作温度最高:
70°C 放大器类型:
低功耗 温度范围:
商用 电源电压最大:
32V 电源电压最小:
3V 芯片标号:
324 表面安装器件:
表面安装 输入偏移电压最大:
7mV 运放特点:
高增益频率补偿运算 逻辑功能号:
324 额定电源电压,+:
15V
LM324的特点:
1.短路保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作:
3V-32V 4.低偏置电流:
最大100nA 5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能
LM324管脚的示意图
附录二元件清单
序号
类型
型号
数量
1
芯片
LM324
1
2
电阻
200kΩ
1
3
36kΩ
1
4
51kΩ
1
5
10kΩ
6
6
电位器
50kΩ
3
7
100Ω
1
8
稳压管
IN4148
4
9
电容
1nf
2
10
10nf
2
11
200nf
1
12
双掷开关
2