幅度频率可调的锯齿波发生器课程设计.docx

1、幅度频率可调的锯齿波发生器课程设计模拟电子技术基础课程设计(论文)样张1 幅度频率可调的锯齿波发生器 院（系）名称电子与信息工程学院 专业班级电子信息工程 学号 学生姓名 指导教师起 止 时 间： 2015.7.62015.7.19课程设计（论文）任务及评语院（系）：电子与信息工程学院 教研室：电子信息工程 学 号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目幅度频率可调的锯齿波发生器课程设计（论文）任务任务要求：幅度频率可调的锯齿波发生器常作为时基电路，不同电子产品需要不同频率和幅度的锯齿波，以集成运算放大器为主要器件。由比较器、锯齿波发生电路及电源电路等部分组成。技术要求：1、设计电路所需的直流稳压

2、电源。2、输出波形工作频率范围0.02Hz1kHz连续可调。3、方波幅值10V，波峰峰值20V。4、各种输出波形幅值均连续可调。5、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。指导教师评语及成绩平时成绩： 答辩成绩： 论文成绩： 作品成绩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：平时成绩占20%，答辩成绩占20%，论文成绩占40%，作品成绩20%。摘 要随着电子技术的发展和测试用信号源的广泛应用，锯齿波和正弦波、方波、三角波作为常用的基本测试信号，锯齿波电路作为时基电路已在仪器仪表中得到广泛应用。在示波器观测到被测信号的波形，需要在水平偏转板加上锯齿波电压，使电子束沿水平方向均匀扫过

3、荧光屏；电视机荧光屏行场扫描也需要锯齿波电压信号进行扫描控制。因此锯齿波信号产生电路具有广泛的应用意义。本次设计的幅度频率可调的锯齿波发生器，该锯齿波产生电路以集成运算放大器LM324为主要器件，构成迟滞电压比较器和充放电时间常数不等的积分器，实现幅度频率可调的锯齿波发生器。并设计电路所需的直流稳压电源。通过可变电阻阻值的改变，使幅度、频率均可在设计范围内连续可调，以满足不同的电子设备对不同参数的锯齿波信号的要求。本系统采用Multisim仿真软件进行仿真测试。在保证功能的前提下控制器件成本。采用单面印制电路板对整体电路进行合理的布线，并进行焊接与调试。各输出信号均达到设计要求且稳定工作。关键

4、词：锯齿波；迟滞电压比较器；充放电；积分器 第1章 绪论1.1 锯齿波发生器的发展概况随着电子技术的快速发展，电子产品的功能日益强大，与人们日常生活的联系日益紧密。电子产品向小型化，精密化的趋势快速发展。任何的电子系统中，信号产生电路都是全系统得以正常工作的基础，也是制约电路处理信号的速度、精度的重要因素。信号源的精度决定着全电子系统的精度。电子技术的发展常常以信号发生技术的进步为基础。常常作为时基信号电路的锯齿波发生电路在信号发生器领域占有重要的地位。例如，要在示波器荧光屏上不失真的观察到被测信号的波形，就要在水平偏转板加上锯齿波电压，使电子束沿水平方向均匀扫过荧光屏。电视机荧光屏的光点是靠

5、磁场控制的，同样也需要锯齿波电压。随着数字电路基础的进步，以单片机为核心部件的数字式函数发生器层出不穷。此外专用的集成芯片在信号源电路中使用的趋势越来越明显，这类电路仅有少部分分立元件和局部集成器件组成，结构简单、性能稳定。但随着半导体工艺的进步，模拟电路的精度也毫不逊色，而且成本相对较低。同样得到广泛应用。 1.2本文研究内容本文研究内容为设计一款幅度、频率均连续可调的锯齿波发生器电路。使用集成运算放大器为主要器件组成迟滞电压比较器和充放电时间常数不等的积分器。设计合适的直流稳压电源电路等核心部件。选择合适的外围分立元件组成锯齿波发生器。通过对调节外围分立元件的参数的调整，实现幅度、频率连续

6、可调。分立元件的数量相对较少，结构简单、性能稳定。技术要求：1、设计电路所需的直流稳压电源。2、输出波形工作频率范围0.02Hz1kHz连续可调。3、方波幅值10V，波峰峰值20V。4、各种输出波形幅值均连续可调。5、利用Multisim（或EWB）进行电路仿真与调试。第2章 锯齿波发生器总体设计方案2.1 锯齿波发生器设计方案论证方案1：利用8038集成函数信号发生芯片及其外设电路产生方波信号再由充放电时间常数不等的积分电路变换成锯齿波输出。方案2：利用迟滞比较器单元和充放电时间常数不等的积分器构成的反馈网络实现锯齿波的产生，通过调节积分器充放电时间常数的差值来调节锯齿波和方波的频率，通过对

7、迟滞比较器反馈电阻的调节来调节迟滞比较器的门限电压的调节进而调节锯齿波的电压幅值，通过电阻分压网络来调节方波电压幅值。比较两种设计方案，与方案1相比，方案2用运算放大器组成迟滞比较器就能满足锯齿波电路在1kHz以下的频率区间工作的性能要求。其结构更加简单、可靠性更高、制作成本低廉、调试更加方便。所以选择方案2。2.2总体设计方案框图及分析如图2.1所示，本锯齿波发生器由与之适配的直流稳压电源供电，由迟滞电压比较器和充放电时间常数不等的积分器构成的反馈网络实现锯齿波电压的输出。由输出的锯齿波信号作为电压比较器的输入信号，电压比较器输出的方波作为积分器的输入信号。由于积分器充放电时间常数不同 所以

8、输出的信号为锯齿波。合理调整迟滞电压比较器的比较门限可以调整锯齿波电压的输出幅度。调整充放电时间常数的差值可以调整锯齿波电压的输出频率。图2.1 总体设计方框图第3章 锯齿波发生器单元电路设计3.1锯齿波发生器具体电路设计3.1.1 直流稳压电源电路设计如图3.1所示，本锯齿波发生器设计要求各波形幅值最大为10V。以此为依据设计稳压电源的输出电压为15V 采用220V 50Hz市电输入。由变压器降压、二极管整流电桥整流、滤波电容C1滤波，变为18V直流电压信号。再由LM7815、LM7915这两个正负电压稳压芯片进行进一步稳压C5、C6、C7、C8用来实现频率补偿，防止稳压产生高频自己振荡和抑

9、制电路引入的高频干扰，C3、C4为电解电容用以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。本电路可以输出稳定的15V电压用于为构成迟滞电压比较器和积分器的集成运算放大器供电。图3.1 直流稳压电源电路原理图3.1.2 同相输入迟滞电压比较器电路设计同相输入迟滞电压比较器以经过反馈通路反馈回来的积分器输出的锯齿波电压信号作为输入信号，与自身输出的矩形波信号进行电压比较。整个单元电路承担着向积分器提供一定幅值和频率的矩形波信号用以产生锯齿波的作用。其输出的矩形波频率受输入的锯齿波频率控制，二者近似相等。所以迟滞电压比较器重要的设计指标为上下门限、门限宽度及输出矩形波电压幅值。其输入和输出的波形对应

10、关系如图3.2所示。图3.2同相输入迟滞电压比较器输入-输出关系 如图3.3所示同向输入迟滞电压比较由集成运算放大器及电阻反馈网络构成。设运算放大器同相输入端电压为那么存在如下关系 (3-1)设运算放大器的反相输入端电位为由理想运算放大器虚短、虚断的关系可得在电路翻转时存在 (3-2)设门限电压为,门限宽度为。由式（3.1.1）（3.1.3）可得 (3-3)由于稳压二极管的存在可得如下关系式 (3-4) (3-5) (3-6) (3-7)图3.3 同相输入迟滞电压比较器电气原理图3.1.3 充放电时间常数不等的积分器电路设计充放电时间常数不等的积分器是整个锯齿波发生器的核心，通过调节充放电时间

11、常数的差值可以实现对锯齿波频率的调节。所以。充放电时间常数至少有一个要可调。实现电容充放电时间常数不同可以用图3.4所示的电路代替与单一的电阻接入RC网络图3.4改变电容充放电时间常数的一种电阻网络如图3.4所示，设二极管均为理想二极管。当输入为正电压时 D5导通D6截止 该电路等效为电阻R5，当输入为负电压时D6导通D5截止，该电路的等效电阻为R6。且R6为电位器其阻止可以人为调节，又有阻容网络的时间常数为RC。所以，该电路可以实现积分器的正反向充电时间常数不等且可调。将图3.4所示的电路网络代替电阻接入由运算放大器组成的反向积分电路中，可以得到正反向充电时间常数不等的积分器。其电路图如图3

12、.5所示。图3.5 正反向充电时间常数不等的积分器3.2 元器件型号选择在直流稳压电源部分，为了得到稳定的电压输出为运算放大器供电。选择L7815 ST和L7815 ST两个三端集成稳压芯片输出15V电压。C5、C6、C7、C8用来实现频率补偿，防止稳压产生高频自己振荡和抑制电路引入的高频干扰，C3、C4为电解电容用以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。为了保证这两个三端集成稳压芯片的正常工作 应供给输入端18V电压。可以采用两路18V变压器将市电降压。由整流电桥整流、电容滤波产生18V较为平稳的电压信号。考虑到输出电压的幅值和市电10%的波动范围，整流桥由四只1N4007整流二极管组

13、成。滤波电容采用470F电解电容。在迟滞比较器部分，由于该锯齿波发生器的工作频率上限被设定为1kHz。在此频率下工作使用集成运算放大器就能较好的实现比较功能。所以考虑到成本，直接选用LM324集成运算放大器和电阻反馈网络组成迟滞电压比较器。在积分电路部分，选择LM324构成核心的积分电路。由于锯齿波电路要求充电时间尽可能的小。同时还要满足电路电流的限制。所以固定的电阻R5选择510是合适的。可变电阻R6的阻值调节上限是100k远远大于510可以在误差允许的范围内产生一定幅度、频率的锯齿波。考虑到电路输出信号的频率范围，可以选择0.1nF独石电容作为积分电路的充电电容。3.3 参数计算直流稳压电

14、源部分的电压输出值被三端集成稳压芯片控制在15V。根据电路的工作原理当电容上电压达到迟滞电压比较器的上下门限时电路就会翻转，所以迟滞电压比较器的上下门限电压就是锯齿波波形峰-峰值。将=7.5k =12V带入式(3.1.7)得锯齿波电压峰-峰值为 (3-8)为可调电阻，其阻值变化范围为05k所以变化范围为016V满足设计要求。矩形波的输出电压由分压器按比例分得获得。其幅值可在12V范围内连续可调，满足设计要求。如果忽略二极管的正向电阻，电路的振荡周期为 (3-9)代入参数计算得，其振荡频率在0.02Hz1.24kHz连续可调,满足设计要求。3.4 锯齿波发生器总体电路图锯齿波发生电路的总体电路图

15、如图3.6所示，220V市电从Ui接入。Uo1输出锯齿波，Uo2输出方波。图3.6 锯齿波发生器总体电路图第4章 锯齿波发生器电路仿真与调试4.1 Multisim仿真与调试应用Multisim 12.0仿真软件对各部分电路进行仿真测试，便于在电路实物制作之前及时发现设计问题，改正设计错误、调试电路。利用仿真软件对直流稳压电源部分进行仿真。直流稳压电源仿真电路如图4.1所示。万用表XMM1和 XMM2 应分别输出+15V和15V的稳定电压输出。图4.1直流稳压电源仿真电路图直流稳压电源仿真结果如图4.2所示万用表XMM1读数为14.853V。万用表XMM2的读数为-14.899V。在误差允许的

16、范围内实现了设计要求。可以为集成运算放大器提供稳定的电源。图4.2直流稳压电源仿真结果如图4.3所示对锯齿波和矩形波发生电路进行电路仿真。按照设计要求示波器一通道应显示出10V幅值的矩形波波形，二通道应显示出10V幅值的锯齿波输出。而且随着对电位器阻值的调整，幅度、频率均应连续可调。图4.3锯齿波方波仿真电路锯齿波方波仿真电路如图4.4所示，示波器一通道应显示出10V幅值的矩形波波形，二通道应显示出10V幅值的锯齿波输出。而且随着对电位器阻值的调整 幅度、频率均应连续可调。方波的上升沿和下降沿不够陡峭。这是集成运放的响应速度低造成的。可以选用专用电压比较器避免这种情况。由于稳压二极管击穿电压存

17、在误差，矩形波输出波形幅值大于10V可以通过分压器调节。图4.4锯齿波方波电路仿真结果4.2 仿真结果分析根据仿真结果直流稳压电源的正电压为14.853V负电压为-14.899V输出电压稳定，误差范围较小 满足为集成运算放大器供电的要求。根据仿真结果锯齿波、矩形波的波形频率均在0.02Hz1kHz的范围内连续可调。矩形波波形幅值在12.3V范围内连续可调 波形输出稳定满足设计要求。调节锯齿波幅值时对两种波形的频率会产生微弱的影响。这是由于电路的幅值和频率受到同一个电位器的影响，通过同时调节两个电位器可以弥补这一设计上不能回避的不利影响，其影响的范围可以接受。锯齿波的下降段应该更加陡峭。由于充放

18、电电压是恒定的，所以充电时间是由充电时接入阻容网络的电阻阻值决定的。电阻的功率存在设计限制不能过小。所以锯齿波的下降段只能尽可能的陡峭。方波的上升沿和下降沿不够陡峭。这是集成运放的响应速度低造成的。可以选用专用电压比较器避免这种情况。由于稳压二极管击穿电压存在误差，矩形波输出波形幅值大于10V可以通过分压器调节。不会影响电路的功能。第5章 锯齿波发生器实物制作5.1 锯齿波发生器电路焊接具体电路的布线与焊接，为了防止电路分布参数影响工作状态产生误差，应该尽量避免飞线，尽量缩短导线长度。为防止测试操作过程中将运放芯片的电源反接导致芯片烧毁导致安全事故。应该合理布置电源接口，并予以标注各接地电应该

19、牢固连接并接出接口。信号输出接口应予以符号标出。锯齿波发生器实物布线图如图5.1所示。图5.1锯齿波发生器电路焊接布线图5.2锯齿波发生器电路作品为缩小版面尺寸，应合理紧密选择器件位置，并考虑到电位器在实际使用中需要频繁的调节，应安放在方便调节的位置，各输出端应合理布置测试点，电源和接地线应留出接口。为方便测试，应用图示标出各测试接口的功能。尤其是正负电源接口，测试过程中一旦反接会导致芯片击穿烧毁造成安全事故。如图5.2所示，以LM324集成运算放大器为核心接地电阻直接从对应的管脚引出并牢固接地以避免干扰。正负电源接口直接从管脚引出接口并标出醒目的符号谨防反接。锯齿波和矩形波的输出端放置在电路

20、板的左右两侧。同样标以符号方便测试。图5.2 锯齿波发生器电路实物图第6章 作品测试与数据分析本次测试采用实验台提供的更加稳定的12V双电源供电便于更好的测试、调试作品。采用双通道数字示波器同时观测锯齿波和矩形波的波形。示波器各通道的接地线应与电源接地线良好连接避免干扰。如图6.1所示，将示波器的通道一正极接入锯齿波信号输出端 通道二的正极接入方波信号的输入端。两通道的接地线接入公共地端，接通双12V电源和电源地线。为确保安全在通电测试前应仔细检查电源线是否短接、反接，避免烧坏电源或击穿集成芯片造成事故。检查确定后接通双12V稳压电源进行全电路的测试。图6.1 锯齿波发生电路测试图在测试过程中

21、出现了信号被严重干扰 无法输出波形的情况。经过分析，应该是稳压电源纹波过大在测试电路中产生寄生振荡导致的。在测试时 采取了更换直流稳压电源重新测试的方法发现并排除了故障。这一故障时仿真元件无法显示出来的。暴露出来设计上的不周全。可以在电源端与接地端串接电源旁路电容来彻底解决这一问题。排除故障后通过使用示波器对矩形波、锯齿波波形的观测两种波形干扰较小。输出幅值频率稳定。锯齿波和矩形波的频率调节范围达到0.023Hz 1.424kHz范围内连续可调。锯齿波、矩形波的幅值010.37V范围内连续可调。虽完全满足设计要求。但仍然暴露出顶调电位器灵敏度过低调节十分不方便的问题。在实际使用电路中可以换用其

22、他封装的电位器避免这一问题。 图6. 2 锯齿波矩形波波形观测图第7章 总结本次课程设计的题目是幅度频率可调的锯齿波发生器。在设计过程中，从任务要求的分析、系统框架的建立、分系统的设计到总体设计，从原理图设计到软件仿真、电路板布线焊接到实物测试，这其中遇到许多的问题，有的是设计上考虑的不够周全，有的是电路实现上的，在解决这些问题的过程中，我深深的领悟到了电子设计、制作、调试的奥妙，也使我对电子技术有了浓厚的兴趣。从开始开发锯齿波发生器电路，我就遇到了一些问题，比如运算放大器型号的选择，比如电阻阻值的选择，以及仿真软件的学习。这也使我锻炼了快速学习的能力，例如当时电路仿真时，出现了严重的波形失真

23、现象。无论怎么调节器件参数都无济于事。只是失真的波形在变化。与理论计算的波形相差甚远。后来通过网上的资料了解到，使用集成运算放大器代替电压比较器实现迟滞电压比较工作频率不能高于一千赫兹顺利的解决了这一问题。开发设计的初级阶段，由于对Multisim电路仿真软件使用不够熟练，通过上网查阅相关教程和查阅相关书籍，我对Multisim电路仿真软件的使用有了进一步的认识。随着设计的深入，逐步加深对该软件的认识和对修改元件库内元件参数的熟悉和理解。同时，我也阅读大量的资料了解振荡电路设计工作的一些特点。课程设计是对所学知识的应用，理论联系实际让我对学过的知识有了更加深刻的理解。通过电路的设计、仿真、修改

24、、制作、测试。调试的过程，不但掌握了基本的电子设计制作调试技术，也掌握了相关仿真软件的操作。通过这段时间里的学习，我学习到了很多新知识，也对电子设备开发的过程有了更深的了解，并且对电路设计的基本思路有了较深的认识，学会并掌握了仿真软件的使用与调整电气参数的技术，加深了对仿真软件使用的熟练程度，对晶体管器件的参数理解和使用有了更深的认识，对电路的设计方法也照以前有了很大改进。 本人签字： 参考文献1 康华光.电子技术基础模拟部分M.第五版.北京:高等教育出版社,20062 曹文.电子设计基础M.北京:机械工业出版社,20133 田良.综合电子设计与实践M.江苏:东南大学出版社,20104 高有堂

25、.电子设计与实战指导M.北京:电子工业出版社,20105 陈立万.模拟电子技术基础实验及课程设计M.西安:西安交通大学出版社,20126 沈易,顾秋杰等编著.模拟电子技术实验及综合设计M.西安：西安电子科技大学出版社,20107 沙春芳.Multisim 10 在模拟电子教学中的应用J.中国现代教育装备,2011(2):10-218 张金良.模拟信号调理技术M.北京:电子工业出版社,20069 梁赫西, 周密, 谢虎城. 基于FPGA与LabVIEW的DDS任意信号发生器设计J. 微型机与应用, 2015, 34(2):25-28.10 胡仕兵, 赵敏智, 王波. 一种程控宽频带多波形信号发生器的研制J. 成都信息工程学院学报, 2014, 29(1):33-38. 附 录 I 总体电路图附 录 II元器件名称参数元器件名称参数电解电容470 50稳压二极管1N4735A电解电容10 50电阻5k独石电容0.1 50电阻7.5k独石电容0.33 50电阻510二极管1N4007电位器100k二极管1N4148电位器5k三端稳压芯片L7815 ST电位器1k三端稳压芯片L7915 ST运算放大器LM324N元器件清单