課程設(shè)計(jì)——波形發(fā)生器

1、1 .概述波形發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動控 制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(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。函數(shù)信號發(fā)生器 在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器 的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個能變換出三角波、正弦波、方波的函 數(shù)波形發(fā)生器。本課程采用采用 RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分 電路共同組成的正弦波一方波一三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過 RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過 積分電路形成三角波。2 .設(shè)計(jì)方案采用RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分

2、電路共同組成的正弦波 一方波一三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生 正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。 文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出，具特點(diǎn)是采用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻和 反饋網(wǎng)絡(luò)，具振蕩頻率f=1/2冗RC.改變RC的值，可得到不同的頻率 正弦波信號輸出。用集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，將正弦波變換成方 波輸出。用運(yùn)放構(gòu)成積分電路，將方波信號變換成三角波。原理框圖如圖2-1圖2-1設(shè)計(jì)方案一框圖3 .設(shè)計(jì)原理3.1 正弦波產(chǎn)生電路正弦波由RC橋式振蕩電路(如圖3-1所示),即文氏橋振蕩電路產(chǎn) 生。文氏橋振蕩器具有電路簡單、易起振、頻率可調(diào)等特點(diǎn)而大量應(yīng)

3、用 于低頻振蕩電路。正弦波振蕩電路由一個放大器和一個帶有選頻功能的 正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其振蕩平衡的條件是 AF= 1以及巾a+巾f=2n兀。其中 A為放大電路的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)。振蕩開始時(shí)，信號非常弱，為 了使振蕩建立起來，應(yīng)該使 AF略大于1。放大電路應(yīng)具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻以減少 放大電路對選頻特性的影響，使振蕩頻率幾乎僅決定于選頻網(wǎng)絡(luò)，因此 通常選用引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大電路。正反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電壓U是同相比例運(yùn)算電路的輸入電壓，因而要把同相比例運(yùn)算電路作為整體看 成電路放大電路，它的比例系數(shù)是電壓放大倍數(shù)，根據(jù)起振條件和幅值 平衡條件有Av =1 +RL >

4、;3(Rf=R2+R1/D1/D2 )R1且振蕩產(chǎn)生正弦波頻率f0 =2 二 Rc圖中D1、D2的作用是，當(dāng)Vo1幅值很小時(shí)，二極管D1、D2接近開 路，近似有 Rf = 9.1K + 2.7K=11.8K, , Av=1+Rf/R1=3.3>=3,有利于起振； 反之當(dāng)Vo的幅值較大時(shí)，D1或D2導(dǎo)通，Rf減小，Av隨之下降，Vo1幅 值趨于穩(wěn)定。3.2正弦波方波產(chǎn)生電路如圖,Vol為正弦信號輸入，經(jīng)過遲滯比較器u2后輸出方波Vo2o電 路工作原理：運(yùn)放同相端接基準(zhǔn)電壓，即 U+=0,反相端輸入電壓Vol, R8 稱為平衡電阻。當(dāng)比較器的U+=U-=0寸，輸出Vo2從高電平跳到低電平,

5、或從低電平跳到高電平。止匕時(shí)R6Vol =Vth Vo2R7Vt =R6VzR7正弦波輸入信號由于Vo2=± Vz,可得上、下門限電壓為Vt- =R6VzR7Vol在上升到Vt+之前，Vo2保持不變，超過Vt+后Vo2翻轉(zhuǎn)，直到Vol下降到Vt- , Vo2再翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)便形成 Vo2方波 輸出。圖3-2正弦波一一三角波產(chǎn)生電路3.3方波一一三角波變換電路此電路由反相輸入的過零比較器和 RC電路組成。RC回路既作為延 遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過 RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。 設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz則同相輸入端電位Up=+U。Uo通過R3對電 容C正向充電，如圖中實(shí)

6、線箭頭所示。反相輸入端電位 n隨時(shí)間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un>0,Uo從 +Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電 容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t 趨于無窮大時(shí)，Un趨于-Uz;但是，一旦Un<0,Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz, Up從-Ut躍變?yōu)?Ut,電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn) 生了自激振蕩。± UT=± R2/ (R6+RW)U02mT=2R(R6+RW)C3/ R7運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即 U-=0,同相輸入端接輸入電壓Ui

7、a , R6稱為平衡電阻。比較器的輸出 Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc,低 電平等于負(fù)電源電壓-Vee (|+Vcc|=|-Vee| ),當(dāng)比較器的U+=U-=O寸， 比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳至I 高電平Vcc。由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性.當(dāng)輸入信號為方波Uo1,則積分器的輸出Uo3為U O2-1U01dt(R4 RP2)C2Uo=+Uz,D5導(dǎo)通,D6 截止， Uq=-1/(R 6C)Uz(t1-t0)+Uo(t 0)Uo=-Uz,D6導(dǎo)通,D5 截止,Uo3=1/(R6+Rw')Uz(t2-t1)+Uo(t1)可見積分器的

8、輸入為方波時(shí)，輸出是 個上升速度與下降速度不相等的占空比可 調(diào)的三角波.經(jīng)計(jì)算，如果選R=1k,則R=10K, C=100nF.三角波圖與方波圖3-4所示：3.4正弦波方波三角波發(fā)生電路3.5 電源電路設(shè)計(jì)制作方法是利用橋式整流器與穩(wěn)壓IC搭配適當(dāng)規(guī)格之電容構(gòu)成整流電路，將一般常用之220伏特電源轉(zhuǎn)為± 15Vde之電源，其電路圖如 圖8所示，220伏特電源經(jīng)橋式整流器后，利用三端穩(wěn)壓IC7815與7915 將電壓值調(diào)整至± 15Vde,其中7815為正電壓調(diào)整器用以穩(wěn)定電壓至十 15V,7915則進(jìn)行負(fù)電壓調(diào)整。4主要元器件的工作原理及參數(shù)4.1變壓器變壓器是電子電路，用

9、來升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應(yīng)技術(shù)，變壓器有兩個分別獨(dú)立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級線圈和初級線圈。電流的方向和大小隨時(shí)間變化的，變壓器初級通上交流電時(shí)，變壓器 的鐵芯中產(chǎn)生了交變的磁場（其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞 組叫次級線圈），在次級就感應(yīng)出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級 線圈的匝數(shù)比等于電壓比。變壓器只能改變交流電壓，不能改變直流電壓 因?yàn)橹绷麟娏魇遣粫兓?，電流通過變壓器不會產(chǎn)生交變的磁場， 所以 次級線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個瞬間電流和電壓。變壓器的主要參數(shù)：電壓比 n=U1/U2=N1/N2效率4=P2/P1*100%額定功率P

10、4.2 橋式整流電路橋式整流電路由四個二極管組成，如圖 4-1所示圖4-1橋式整流電路工作原理：U2 正半周時(shí)：D1、D3導(dǎo)通，D2、D4截止U2 負(fù)半周時(shí)：D2、D4導(dǎo)通，D1、D3截止主要參數(shù)：輸出電壓平均值：UL=0.9U2輸出電流平均值:I l= U/Rl = 0.9U2/ R l流過二極管的平均電流：I d=I l/2二極管承受的最大反向電壓：25V - 1000V4.3 三端穩(wěn)壓器該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有電流過流、過熱和調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)電路，以防止過載而損壞，用它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡單，且安全可靠。4.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓器二極管也叫齊納二極管，穩(wěn)壓原理：給穩(wěn)壓二極管施加

11、反向 電壓并使其值增大，當(dāng)反向電壓之值達(dá)到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓時(shí)，其 正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范圍內(nèi)改變電源電壓的波動或改變 負(fù)載電流的大小，齊納電流 IZ和動態(tài)電阻隨之而改變，然而，齊納電 壓UZ卻穩(wěn)定不變。穩(wěn)壓二極管串聯(lián)一個電阻來提供一個穩(wěn)定的參考電 壓VREF其中穩(wěn)壓二極管選用1N473a其穩(wěn)定電壓為6.2V,限流電阻 R13選用1K。穩(wěn)壓二極管1N4735的重要參數(shù)：最大工作電流IZM穩(wěn)定電壓UZ動態(tài)電阻RZ4.5 集成運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻 的多級直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有 共同之處，如下圖4-2表示

12、集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。圖4-2集成運(yùn)放的內(nèi)部 電路組成的原理框圖如圖4-2集成運(yùn)放的輸入級一般是由 BIT、JFET或MOSFET成的差 分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其 他方面的性能。它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入 端。電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電 路組成。輸出級一股由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器所組成，以降低輸 出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為個級提供合適的工作電流。其 代表符號和輸入輸出傳輸特性如圖 4-3所示。圖4-3集成運(yùn)放符號和傳輸特性5.心得體會一周的課程設(shè)計(jì)很快就結(jié)束了，但其過程可謂曲折

13、艱難，通過本周 的課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識到課本上的知識的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增 強(qiáng)了思考和解決實(shí)際問題的能力。這是我第一次做課程設(shè)計(jì)，給我留下 了很深的印象。雖然只是短暫的一周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。這次課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識到了知識和實(shí)踐的重要性。只有牢固掌握 了所學(xué)的知識，才能有清晰的思路，知道每一步該怎樣走。才能順利 的解決每一個問題。就以這次課程設(shè)計(jì)為例，剛拿到題目的時(shí)候，大 致看一下要求，根據(jù)平時(shí)所學(xué)的知識，腦海中就立刻會想到應(yīng)該用到 的元器件，然后再去圖書館去查這些元器件的資料，很快地初步方案 以及大概的電路原理圖就出來了。但是，在具體的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，我卻 不知道為什么，從而明白了自

14、己基礎(chǔ)知識掌握得不牢固。還好由老師 的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助，才使我順利的完成此次課程設(shè)計(jì)所以，這次 課程設(shè)計(jì)在讓我認(rèn)識了知識的重要性之外，更讓我明白了自己理論知 識和實(shí)踐知識的欠缺，讓我堅(jiān)定了以后努力學(xué)習(xí)知識的決心。參考文獻(xiàn)1何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).浙江大學(xué)出版社，2001年6月2姚福安，電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐.山東科技技術(shù)出版社，2001年10月3王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)實(shí)踐.東南大學(xué)出版社，1999年10月4李銀華，電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京航空航天大學(xué)出版社，2005 年6月5康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2003附錄一總電路圖附錄二原件清單序號村料名稱規(guī)格型號數(shù)量（個）1固定電阻2K122.7K133K145.1K159.1K1610K1715K2820K19可調(diào)電阻20K