方波三角波正弦波函数发生器设计课程设计报告.docx

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方波三角波正弦波函数发生器设计课程设计报告

模拟电子技术

课程设计

课题名称：

方波-三角波-正弦波函数发生器

专业班级：

姓名：

学号：

指导教师：

《模拟电子技术基础》课程设计任务

题目

设计制作一个产生方波-三角波-正弦波函数发生器

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。

摘要

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,广泛地应用于各大院校和科研场所。

随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发生器。

本次设计用运放来组成RC积分电路，低通滤波电路来分别实现方波，三角波和正弦波的输出。

它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源。

本文通过介绍一种电路的连接，实现函数发生器的基本功能。

将其接入电源，具有实际的应用价值。

并通过在示波器上观察波形及数据，得到结果。

电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正弦波转换电路看到正弦波，得到想要的信号。

关键词：

电源，波形，比较器，积分器，转换电路，低通滤波，Multisim

1.函数发生器总方案及原理框图

1.1函数发生器的总方案

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件 ，也可以采用集成电路。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与二阶低通滤波器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，然而这种方法也有几套方案。

方案一：

首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用折线法将三角波转换成正弦波。

此方案在执行时比较困难，原因在于三角波到正弦波的转换上，折线法的参数很难确定。

方案二：

首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，将三角波通过滤波电路实现到正弦波的转换。

此方案很好，但是没采用，原因在于电路的前面部分比较繁琐，如果电路太繁琐，那么对后面的结果影响也就更大，会增大误差，故而放弃。

方案三：

首先由一个RC振荡电路产生方波，然后将此波形接入一个积分电路产生三角波，用一个差分电路来实现波形的转换，。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。

特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。

波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

但是最终不好调试，故而启弃用。

方案四：

在方案三的基础上进行了改进，用一个积分电路替代了前面的RC振荡回路，这样做起来就更简洁，焊点较少，那么负面影响也就相对会减小，故而采用了本方案。

本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：

由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由二阶低通滤波器来实现。

二阶低通滤波器是在一阶的基础上再加上一个RC电路构成，能够很好的抑制低频率信号的通过，从而将处于低频率的三角波转换成为正弦波，实现波形变换。

1.2函数发生器总方案及原理框图

原理框图：

图1原理框图

2.课程设计的目的和设计的任务

2.1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。

2.2设计任务

设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器

2.3课程设计的要求及技术指标

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：

0.02—20kHZ范围内可调；

4.输出电压：

方波幅值为2V；正弦波幅值为±2V；

三角波峰-峰值为2V，占空比可调。

3.各组成部分的工作原理

3.1方波发生电路的工作原理

此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。

RC回路即作为迟滞环节，又作为反馈网络，通过RC冲、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，如图中箭头所示。

反相输入端电位n随时间的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是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对电容反相充电，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=-Uz再减小，UO就从-Uz跃变为+Uz，UO从-Ut跃变为+Ut，电容又开是正向充电。

上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

图2同相滞回比较器的电压传输特性曲线

3.2运放lm324工作原理与电路图

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，它们有一些显着优点。

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组件的必要性。

LM324的特点：

1.短跑保护输出；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（LM324A）；

5.每封装含四个运算放大器。

6.共模范围扩展到负电源

7.具有内部补偿的功能；8.输入端具有静电保护功能

9.行业标准的引脚排列；

LM324引脚图（管脚图）（见附录）

3.3方波——三角波转换电路的工作原理

图3方波——三角波转换电路的工作原理

工作原理

如图3所示，在电路的左边为同相滞回比较器，右边为积分运算电路。

同相滞回比较器的输出高低电平分别为

Uoh=+Uz，Uol=-Uz

积分运算电路的输出电压uo作为输入电压，A1同乡输入端的电位

Up1=uo1·R1/（R1+R2+R6）+Uo·（R2+R6）/（R1+R2+R6）

令Up1=Un1=0，并将uo1=±Uz带入得

±Ut=±Uz·R1/（R2+R6）

电路的振荡原理

合闸通电，通常C上电压为0。

设Uo1↑→Up1↑→Uo1↑↑，直至Uo1＝Uz；积分电路反向积分，t↑→Uo↓，一旦Uo过－Ut，Uo1从＋Uz跃变为－Uz。

积分电路正向积分，t↑→Uo↑，一旦Uo过＋Ut，Uo1从－Uz跃变为＋Uz，返回第一暂态。

重复上述过程，产生周期性的变化，即振荡。

由于积分电路反向积分和正向积分的电流大小均为Uo1/（R3+R7），使得U0在一个周期内的下降时间和上升时间相等，且斜率的绝对值也相等，因而将方波转换为三角波。

主要参数估算：

1振荡幅值

在如图所示的三角波—方波发生电路中，因为积分电路的输出电压就是同相滞回比较器的输入电压，所以三角波的幅值为

±Uom=±Ut=±Uz·R1/R2

因为方波的幅值决定于由稳压管组成的限幅电路，所以

Uoh=+Uz，Uol=—Uz

2振荡周期

在图3中，在振荡的二分之一周期内，起始值为—Ut，终了值为+Ut

Ut=Uz·T/2·1/R3·C-Ut

得到

T=4·R1·（R3+R7）·C/（R2+R6）

积分器的输出

Uo=—1/（R3+R7）·∫Uo1dt

Uo1=+Vcc时，Uo2=—（+Vcc）·t/（R3+R7）·C1

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相等的三角波，其波形关系下图所示。

图4方波—三角波的波形变换

比较器与积分器首尾相连，形成闭环回路，则自动产生方波——三角波，三角波的幅度为

Uo2=Vcc·R1/（R3+R7）

方波——三角波的频率为

f=（R2+R6）/4R1（R3+R7）

所以有以下结论：

1.电位器R7在调节方波——三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度，若要求输出频率的范围较宽，可用C1改变频率的范围，R7实现频率微调。

2.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc,三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc,电位器R6可实现幅度微调，但会影响方波——三角波的频率。

3.4三角波——正弦波转换电路的工作原理

三角波——正弦波的变换电路主要由二阶低通滤波器电路来完成。

图5三角波—正弦波转换电路

工作原理

由RC串联接一个同相比例运算电路组成一个一阶有源低通滤波器，滤出一部分干扰，得到想要的波形，但是往往一个RC回路的过渡带还很宽，所以，为了更好的达到滤波的效果，尽量减小过渡带，可以多加RC回路，构成多节低通滤波器，因此，在这用了二阶滤波器来达到目的。

在电路中，当信号频率趋于零时，同相输入端的电位Up=Ui，故电路的通带放大倍数等于同相比例运算电路的比例系数，即

Aup=Up/Ui=1+R11/R12

电路的电压放大倍数

Au=Uo/Ui=（1+Rf/R1）·Up/Ui=Aup/（1+jwRC）=Aup/1+j·f/fp

其中，

fp=f0=1/2πRC

图6输出波形

3.5电路的参数选择及计算

1.方波——三角波中电容C1变化（关键性变化之一）

比较器A1与积分器A2的元件计算如下：

得U02m=Vcc·R1/（R2+R6）

即R1/（R2+R6）=1/3

取R1=10KΩ，则R2+R6=30KΩ，取R2=20KΩ，R6为200KΩ的点位器。

区平衡电阻R9=R1//（R2+R6）≈10KΩ

由式f=（R2+R6）/4R1（R3+R7）

即R3+R7=（R2+R6）/4R1·C1

当0.02HZ≤f≤20khz时，取C1=10µf，则R3+R7=1.5Ω～1.5KΩ，取R3=1KΩ，为10KΩ电位器。

2.三角波——正弦波变化时参数计算

当C2=C3==C时，f0=1/2πRC。

所以取C2=C3=0.1µf，R8=R10=10KΩ，R12=100KΩ,R11取最大阻值为40kΩ的电位器。

4.用Multisim10电路仿真

4.1方波—三角波的仿真

图7方波—三角波发生器

方波仿真结果

图8方波仿真效果图

三角波仿真结果

图9三角波仿真效果图

方波—三角波转换仿真结果

图10方波—三角波转换仿真结果

4.2三角波—正弦波仿真结果

图11正弦波发生电路

正弦波结果

图12正弦波仿真结果

三角波—正弦波转换仿真结果

图13三角波—正弦波转换仿真结果

总的仿真结果

图14仿真结果

5.课题总结

通过对函数