模擬電子方波—正弦波—三角波轉(zhuǎn)換

1、第1章 緒論1.1簡(jiǎn)介在人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的過程中，經(jīng)常需要對(duì)各種各樣的電子信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，因而如何根據(jù)被測(cè)量電子信號(hào)的不同特征和測(cè)量要求，靈活、快速的選用不同特征的信號(hào)源成了現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)值得深入研究的課題。信號(hào)源主要給被測(cè)電路提供所需要的已知信號(hào)(各種波形)，然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘?hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)測(cè)試處理中，它不是測(cè)量?jī)x器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵(lì)源，仿真各種測(cè)試信號(hào)，提供給被測(cè)電路，以滿足測(cè)量或各種實(shí)際需要。波形發(fā)生器就是信號(hào)源的一種，能夠給被測(cè)電路提供所需要的波形。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不能根據(jù)實(shí)

2、際需要靈活擴(kuò)展。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，通過巧妙的軟件設(shè)計(jì)和簡(jiǎn)易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調(diào)的信號(hào)。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡(jiǎn)單方便。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的波形發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)

3、信號(hào)發(fā)生器。它用于產(chǎn)生被測(cè)電路所需特定參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)。在測(cè)試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測(cè)設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測(cè)量時(shí)，需使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號(hào)源輸出信號(hào)的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。信號(hào)源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)

4、生器等四大類。正弦信號(hào)是使用最廣泛的測(cè)試信號(hào)?，F(xiàn)在,我們通過對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理以及構(gòu)成設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出正弦波、方波、三角波的簡(jiǎn)易發(fā)生器。眾所周知，制作函數(shù)發(fā)生器的電路有很多種。本次設(shè)計(jì)先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，這是一種頻率可調(diào)的移相式正弦波發(fā)生器電路，其頻率穩(wěn)定一般為實(shí)驗(yàn)所確定，然后可以通過改變電容值來(lái)改變?cè)偻ㄟ^電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。此電路具有良好的正弦波和方波信號(hào)。它的制作成本不高，路簡(jiǎn)單，使用方便，有效的節(jié)省了人力，物力資源。信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。該函數(shù)發(fā)生器要求能輸出頻率范圍可調(diào)的正弦波、方波和三角波，能夠很好

5、的實(shí)現(xiàn)本次試驗(yàn)的目的,將一些線性和非線性的元件與集成運(yùn)放組合,輸出性能良好的波形.由正弦波、方波或三角波的發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)，通過相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)多種波形的輸出。正弦波可以由RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生，之后通過過零比較器可產(chǎn)生方波，再積分可得三角波。通過調(diào)節(jié) RC 振蕩電路中的振蕩電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào)。通過調(diào)節(jié)比例運(yùn)算電路的反饋電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)，最終做成要求的函數(shù)發(fā)生器。1.2設(shè)計(jì)目的1掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法2掌握模擬IC器件的應(yīng)用3培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐的能力4掌握常用元器件的識(shí)別和測(cè)試5熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法1.3設(shè)計(jì)任務(wù) 方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器輸出波形頻率范圍為1

6、0Hz10kHz且連續(xù)可調(diào)；正弦波幅值為2V；方波幅值為2V；三角波峰-峰值為2V。第2章 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)2.1原理框圖 方波三角波正弦波 低通濾波器積分電路電壓比較器 圖2-1 原理框圖2.2正弦波發(fā)生電路的工作原理一、產(chǎn)生正弦振蕩的條件:正弦波產(chǎn)生電路的目的就是使電路產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般在放大電路中引入正反饋，并創(chuàng)造條件，使其產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩。正弦波產(chǎn)生電路的基本結(jié)構(gòu)是：引入正反饋的反饋網(wǎng)絡(luò)和放大電路。其中：接入正反饋是產(chǎn)生振蕩的首要條件，它又被稱為相位條件；產(chǎn)生振蕩必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有選頻特性；同時(shí)它還應(yīng)具有穩(wěn)幅特性。因此，正弦波

7、產(chǎn)生電路一般包括：放大電路；反饋網(wǎng)絡(luò)；選頻網(wǎng)絡(luò)；穩(wěn)幅電路個(gè)部分。二、正弦波振蕩電路的組成判斷及分類： (1)放大電路：保證電路能夠有從起振到動(dòng)態(tài)平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實(shí)現(xiàn)自由控制。 (2)選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率，是電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩，即保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩。 (3)正反饋網(wǎng)絡(luò)：引入正反饋，使放大電路的輸入信號(hào)等于其反饋信號(hào)。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用是輸出信號(hào)幅值穩(wěn)定。 三、判斷電路是否振蕩的方法： (1)是否滿足相位條件，即電路是否正反饋，只有滿足相位條件才可產(chǎn)生振蕩。 (2)放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理，有無(wú)放大能力，靜態(tài)工作是否合適； (3)是否滿足幅度條件。

8、四、正弦波振蕩電路檢驗(yàn)： (1) 則不可能振蕩； (2) 振蕩，但輸出波形明顯失真； (3) 產(chǎn)生振蕩。振蕩穩(wěn)定后。此種情況起振容易，振蕩穩(wěn)定，輸出波形的失真小。五、RC正弦波振蕩電路：常見的RC正弦波振蕩電路是RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路，它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在此作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)。圖2-2 RC橋式正弦波振蕩電路RC橋式正弦波振蕩電路的構(gòu)成如圖所示。當(dāng)時(shí)，RC選頻網(wǎng)絡(luò)的相移為零，這樣RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)送到運(yùn)算放大器同向輸入端的信號(hào)電壓Vi與輸出電壓Vo同相，所以RC反饋網(wǎng)絡(luò)形成正反饋，滿足相位平衡條件。為使在震蕩建立期間信號(hào)做增幅震蕩，應(yīng)選擇R1和R2可使Af3，保證。

9、因此它的起振條件為： ；它的振蕩頻率為： 。它主要用于低頻振蕩。要想產(chǎn)生更高頻率的正弦信號(hào)，一般采用LC正弦波振蕩電路。它的振蕩頻率為： 。此外，石英振蕩器的特點(diǎn)是其振蕩頻率特別穩(wěn)定，它常用于振蕩頻率高度穩(wěn)定的的場(chǎng)合。RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠?jī)蓚€(gè)并聯(lián)的二極管組成的，當(dāng)輸出信號(hào)較小時(shí)，二極管工作電流小，動(dòng)態(tài)電阻大，電路的增益較大，引起增幅震蕩過程。當(dāng)輸出幅度達(dá)到一定程度，二極管工作電流大，動(dòng)態(tài)電阻小，電路的增益下降，電路的輸出電壓幅值將不再上升，從而使輸出電壓穩(wěn)定，以此來(lái)達(dá)到穩(wěn)幅的目的。2.3正弦波變換成方波的工作原理一、電壓比較器的功能：電壓比較器是用來(lái)比較兩個(gè)電壓大小的電路，它的輸入

10、信號(hào)是模擬電壓，輸出信號(hào)一般是只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電壓。利用電壓比較器可將各周期性信號(hào)轉(zhuǎn)換成矩形波。二、過零比較器：參考電壓為零的比較器稱為過零比較器。按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種過零比較器，通常用閾值電壓和傳輸特性來(lái)描述比較器的工作特性。閾值電壓(又稱門檻電平)是使比較器輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓值，簡(jiǎn)稱為閾值，用符號(hào)UTH表示。圖2-3 過零比較器本電路中該電路的作用是將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)變成方波信號(hào)，其傳輸特性曲線如下圖所示： 2.4 方波變換成三角波的工作原理方波經(jīng)過積分器就變成了三角波。但是此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。 圖2-4 積分電

11、路原理Vo-Vi為積分關(guān)系，負(fù)號(hào)表示輸入和輸出信號(hào)相位相反。當(dāng)Vi為定值時(shí)，電容將恒流充電，輸出電壓為： (2-1)當(dāng)積分器輸入信號(hào)為方波時(shí)，其輸出信號(hào)為三角波，電路波形圖如下： 圖2-5 三角波發(fā)生器工作波形圖2-6 積分電路仿真圖2.5正負(fù)12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成。一、設(shè)計(jì)原理：直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，基本框圖如圖所示：圖2-7 直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)框圖及波形二、各部分作用：1、電源變壓器T：作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路

12、所需要的交流電壓Ui。2、整流電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動(dòng)的直流電壓。再經(jīng)濾波電路濾除較大的紋波成分，輸出紋波較小的直流電壓U1。3、濾波電路：經(jīng)整流后的直流輸出電壓脈動(dòng)性很大，不能直接使用，為減少其交流成分，常在整流電路后接濾波電路。濾波電路的主要任務(wù)是將整流后的單向脈動(dòng)直流電壓中的紋波濾除掉，使其輸出平滑的直流電壓，這里我們采用接入濾波電容來(lái)組成濾波電路。4、穩(wěn)壓電路：常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。二者的工作原理有所不同。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化，會(huì)引起其電流有較大變化這一特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓

13、降來(lái)達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。三、具體電路設(shè)計(jì)：在整流電路中我們采用全波整流橋，該電路的整流效果和輸出電壓波形為單項(xiàng)半波整流的兩倍，在穩(wěn)壓電路中采用CW7812和CW7912型號(hào)的這兩個(gè)集成穩(wěn)壓器芯片組成的具有同時(shí)輸出固定的+12V、-12V電壓的穩(wěn)壓電路。該電路對(duì)稱性好，溫度特性也近似一致。圖2-8 直流穩(wěn)壓電源電路圖四、穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)及測(cè)試方法： 穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo)，包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo)，用來(lái)衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度，包括穩(wěn)壓系數(shù)（或電壓調(diào)整率）、輸出電阻（或電流調(diào)整率）、紋波電壓（紋波系數(shù)）及溫度系數(shù)。第3

14、章 仿真電路及運(yùn)行結(jié)果3.1 Multisim簡(jiǎn)介Multisim是美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語(yǔ)言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。multisim10概述:1.通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境,輕松設(shè)計(jì)電路。2.通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為。3.借助高級(jí)電路分析,理解基本設(shè)計(jì)特征。4.通過一個(gè)工具鏈,無(wú)縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測(cè)試。5.通過改進(jìn)、整合設(shè)計(jì)流程,減少建模錯(cuò)誤并縮短上市時(shí)間。3.2 總波形發(fā)生電路圖3-1 正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器該電路分為三部分，第一

15、部分為RC橋式正弦振蕩電路，其功能是利用RC振蕩產(chǎn)生特定頻率的正弦波；第二部分為過零電壓比較器電路，其功能為將正弦波轉(zhuǎn)成方波；第三部分為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉(zhuǎn)成三角波；此外，在積分電路之前設(shè)置一個(gè)電壓跟隨器，起到隔離作用，使過零電壓比較器電路與積分電路不相互影響。確定電路元器件參數(shù)：穩(wěn)壓管的作用是限制和確定方波的幅度，因此方波正負(fù)半周的對(duì)稱性與穩(wěn)壓管性能有關(guān)。因此選用穩(wěn)壓管時(shí)，要選擇性能好一些的兩個(gè)管性能對(duì)稱的穩(wěn)壓管，最好選用雙向穩(wěn)壓管；R3是穩(wěn)壓管的限流電阻，阻值根據(jù)穩(wěn)壓管的電路確定；Rp1和Rp2給比較器提供門限電平，他們可以決定三角波的幅值.因此Rp1和R2的值應(yīng)根據(jù)三角

16、波的幅值決定。一般為了使三角波的幅值可調(diào)，常用電位器作為Rp1、Rp2和電容C的值決定三角波的頻率f。一般是Rp1和R2的值確定后，可以先確定電容C的值，然后由f。=R2/（4Rp2Rp1C）來(lái)確定R4的值.Rp2若采用電位器，則三角波頻率可調(diào)。為了減小積分漂移，電容C的值盡量取大些，但是C值越大漏電也越大，因此一般C不超過1uF；集成運(yùn)放的選擇用于比較器的運(yùn)放要求速度應(yīng)該高些。通過改變反饋網(wǎng)絡(luò)中的變阻RP3的阻值可以改變正弦波的輸出波形的幅值；之后方波的輸出波形也隨之確定；通過改變變阻RP4的阻值可以改變?nèi)遣ǖ妮敵霾ㄐ蔚姆怠?.3正弦波仿真在變阻RP1、RP2百分比分別為50%，RP3百

17、分比為25%，示波器輸出的波形如下圖所示。圖3-2 正弦波仿真視圖由圖可知T1的時(shí)間為1.315s，通道A為-1.660V。T2的時(shí)間為1.338s，通道A為1.658V。由此可知仿真出的正弦波的幅值為：1.660V；峰-峰值為：3.318V；周期為46.154ms。3.4方波仿真圖3-3方波仿真視圖由圖可知T1的時(shí)間為736.976ms，通道A為-6.834V。T2的時(shí)間為760.908ms，通道A為6.812V。由此可知仿真出的正弦波的幅值為：6.812V；峰-峰值為：13.646V；周期為47.864ms。3.4三角波仿真圖3-4三角波仿真視圖由圖知T1的時(shí)間為5.516s，通道A為-2

18、.554V。T2的時(shí)間為5.180s，通道A為2.513V。由此知仿真出的正弦波的幅值約為：2.554V；峰-峰值為：5.067V；周期為24.786ms。結(jié)論經(jīng)過幾天的制作我的課題方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器已經(jīng)做了出來(lái)，一開始感覺這樣的東西挺簡(jiǎn)單的，只要找到資料就會(huì)很容易的制作出來(lái)，但當(dāng)我真正的操作起來(lái)才發(fā)現(xiàn)還有好多的問題。如波形的轉(zhuǎn)換，方波轉(zhuǎn)換成三角波，最后再轉(zhuǎn)換成正弦波，弄了很長(zhǎng)時(shí)間才弄明白。 這次的課題設(shè)計(jì)還讓我體會(huì)到了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，如果你只注重理論學(xué)習(xí)而不去鍛煉自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，是永遠(yuǎn)不能把事情做好的，從理論中得出結(jié)論，用實(shí)踐鍛煉自己，這才是重要的。同時(shí)這次的設(shè)計(jì)讓我也學(xué)到了一些書本上沒有的知識(shí)，提升了我獨(dú)立思考能力。還有就是讓我熟練的對(duì)Multisim仿真軟件的運(yùn)用，總之這次設(shè)計(jì)讓我深刻地學(xué)會(huì)了許多東西，也溫習(xí)了許多以前的知識(shí)。致謝本課題設(shè)計(jì)是我在柏蓬明、盛桂芬老師的悉心關(guān)心和精心指導(dǎo)下完成的。 在此，我要感謝我的指導(dǎo)老師，在他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的教學(xué)思路給了我無(wú)盡的啟迪，他們高度的敬業(yè)精神對(duì)我也產(chǎn)生了重要影響。在您的細(xì)心指導(dǎo)和幫助下我才能夠很快的選擇好課題完成這篇設(shè)計(jì)。 感謝我的每一位親人，是你們的支持使我在學(xué)校的繼續(xù)求學(xué)，焉得諼草，言樹之背。養(yǎng)育之恩。無(wú)以