多功能鋸齒波發(fā)生器的設(shè)計(jì) (2)

1、課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程名稱： 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 題 目： 多功能鋸齒波發(fā)生器的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 日 期： 年 月 日多功能鋸齒波發(fā)生器的設(shè)計(jì)1、 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 在控制開(kāi)關(guān)的作用下，能實(shí)現(xiàn)單周期掃描、間歇掃描、連續(xù)掃描和停止掃描控制功能； 具有輸出幅度調(diào)節(jié)、直流偏置調(diào)節(jié)和掃描周期調(diào)節(jié)功能； 輸出電壓幅度在±10V的范圍內(nèi)可調(diào)，線性度優(yōu)于001%； 要求主要選用集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)； 二總體方案設(shè)計(jì)提示 鋸齒波可用積分器和模擬電壓比較器實(shí)現(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的工作方式控制可以通過(guò)電子開(kāi)關(guān)，也可以用手動(dòng)控制。電路的總體方案框圖如下：輸出電路鋸齒波發(fā)生電路工作

2、方式控制電路直流電源三、方案設(shè)計(jì)與論證 本次設(shè)計(jì)首先采用比較器輸出矩形波，通過(guò)積分器將波形轉(zhuǎn)換為三角波，如果電容的充放電（正反向積分）時(shí)間常數(shù)不相等，也就是當(dāng)積分電路的正向積分時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于反向積分常數(shù)，或者反向積分時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于正向積分時(shí)間常數(shù)時(shí)，那么輸出電壓U0上升和下降的斜率就不一樣，就可以獲得鋸齒波。利用二極管的單向?qū)щ娦允狗e分電路兩個(gè)方向的積分通路相同，就可得到鋸齒波發(fā)生電路。再將輸出接到同向求和運(yùn)算電路，就能得到直流偏置的效果。方案一：鋸齒波發(fā)生器電路可以由集成函數(shù)發(fā)生器8038構(gòu)成 方案二：鋸齒波發(fā)生器電路也可以由555定時(shí)芯片構(gòu)成的自舉電路產(chǎn)生 方

3、案三：鋸齒波可用積分器和模擬電壓比較器實(shí)現(xiàn)，對(duì)電路的工作方式控制可以通過(guò)電子開(kāi)關(guān)，也可以用手動(dòng)控制。由于題目的要求，本設(shè)計(jì)采用的是集成運(yùn)放構(gòu)成的電路。四、單元電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算  1、 器件與單元電路的介紹 （一）集成運(yùn)算放大器圖1是集成運(yùn)放的符號(hào)圖，1、2端是信號(hào)輸入端，3、4是工作電壓端，5是輸出端，在實(shí)際中還有調(diào)零端，頻率補(bǔ)償端和偏置端等輔助端。集成運(yùn)算放大器的輸入級(jí)通常由差分放大電路組成，因此一般具有兩個(gè)輸入端以及一個(gè)輸出端。圖中標(biāo)有“+”號(hào)的是同相輸入端，標(biāo)有“-”號(hào)的是反相輸入端，當(dāng)信號(hào)從同相端輸入時(shí)，輸出信號(hào)和輸入信號(hào)同相，反之則反相。當(dāng)集成運(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)，它的輸入

4、信號(hào)電壓和輸出信號(hào)電壓的關(guān)系是： （1）式中是運(yùn)放器的放大倍數(shù)，是非常大的，可達(dá)幾十萬(wàn)倍，這是運(yùn)算放大器和差分放大器的區(qū)別，而且集成運(yùn)放器的兩個(gè)輸入端對(duì)地輸入阻抗非常高，一般達(dá)幾百千歐到幾兆歐，因此在實(shí)際應(yīng)用中，常常把集成運(yùn)放器看成是一個(gè)“理想運(yùn)算放大器”。理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)重要指標(biāo)為： （1）差模輸入阻抗為；（2）開(kāi)環(huán)差模電壓增益Aod為。根據(jù)這兩項(xiàng)指標(biāo)可知，當(dāng)理想運(yùn)算放大器工作在線性區(qū)時(shí)，因?yàn)槠漭斎胱杩篂?，因此在其兩個(gè)輸入端均沒(méi)有電流，即在圖1中，如同兩點(diǎn)被斷開(kāi)一樣，這種現(xiàn)象稱為“虛斷”。又因?yàn)?，根?jù)輸入和輸出端的關(guān)系：，所以認(rèn)為運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端兩點(diǎn)的電壓相等，如同將該兩點(diǎn)短

5、路一樣。這種現(xiàn)象成為“虛短”?！疤摱獭焙汀疤摂唷笔抢硐脒\(yùn)放工作在線性區(qū)時(shí)的兩個(gè)重要結(jié)論，常常作為分析許多運(yùn)放電路的出發(fā)點(diǎn)。當(dāng)理想運(yùn)放工作在非線性區(qū)時(shí)，則“虛短”現(xiàn)象不復(fù)存在。圖1 集成運(yùn)算放大器（二）滯回比較器滯回比較器具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。在比較電路當(dāng)中，如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在門(mén)限電平上下波動(dòng)，則輸出電壓將在高、低兩個(gè)電平之間反復(fù)地跳變，如在控制系統(tǒng)中發(fā)生這種情況，將對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。滯回比較器則克服了單限比較器的這種缺陷。滯回比較器又名施密特觸發(fā)器，其電路如圖2所示。圖2 滯回比較器電路原理圖 輸入電壓Ui經(jīng)電阻加在集成運(yùn)放的反相輸入端，參考電壓Uref經(jīng)電阻

6、接在同相輸入端，此外從輸出端通過(guò)電阻Rf引回同相輸入端。電阻和背靠背穩(wěn)壓管VDz的作用是限幅，將輸出電壓的幅度限制在Uz。在本電路中，當(dāng)集成運(yùn)方反相輸入端與同相輸入端的電位相等，即時(shí)，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變。其中U+則由參考電壓Uref及輸出電壓Uo二者共同決定，而Uo有兩種可能的狀態(tài)：+Uz或Uz。由此可見(jiàn)，這種比較器有兩個(gè)不同的門(mén)限電平，故傳輸特性呈滯回形狀，如圖3所示。圖3 滯回比較器的傳輸特性下面對(duì)此電路進(jìn)行定性的分析：利用疊加原理可求得同相輸入端的電位為： （2）若原先Uo=+Uz,當(dāng)Ui逐漸增大時(shí)，使Uo從+Uz跳變?yōu)閁z所需的門(mén)限電平用UT表示，由上式可知： （3）若原先Uo=U

7、z，當(dāng)Ui逐漸減小，使Uo從Uz跳變?yōu)?Uz所需的門(mén)限電平用UT表示，則： （4）上述兩個(gè)門(mén)限電平之差成為門(mén)限寬度，用符號(hào)表示，由以上兩式可求得： （5）由此可見(jiàn)，門(mén)限寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz以及電阻和的值，但與參考電壓Uref無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，當(dāng)Uref增大或減小時(shí)，滯回比較器的傳輸特性將平行地右移或左移，但滯回曲線的寬度將保持不變。說(shuō)明滯回比較器的抗干擾能力強(qiáng)。當(dāng)輸入信號(hào)受干擾或噪聲的影響而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當(dāng)調(diào)整滯回比較器兩個(gè)門(mén)限電平UT和UT的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高低電平間反復(fù)跳變。（三）積分電路積分電路時(shí)一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號(hào)運(yùn)算電路，它是組

8、成模擬計(jì)算機(jī)的基本單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微分方程的模擬。同時(shí)，積分電路也是控制和測(cè)量系統(tǒng)中常用的重要單元，利用其充放電過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)以及各種波形的產(chǎn)生。電路組成如圖4，根據(jù)理想運(yùn)放工作在線型區(qū)時(shí)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)可知：電路的輸出電壓Uo與電容兩端的電壓Uc成正比，而電路的輸入電壓Ui與流過(guò)電容的電流ic成正比，即Uo與Ui之間成為積分運(yùn)算關(guān)系。 圖4 積分電路由于集成運(yùn)放的反相輸入端“虛地”，故可見(jiàn)輸出電壓與電容兩端電壓成正比。又由于“虛斷”，運(yùn)方反相輸入端的電流為零，則，故即輸入電壓與流過(guò)電容的電流成正比。由以上幾個(gè)表達(dá)式可得： （6）由此可知，當(dāng)輸入電壓為矩形波時(shí)，通過(guò)積分換算，輸

9、出電壓即可轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣ā?、鋸齒波發(fā)生器整體電路 （1）電路組成圖5所示為一個(gè)鋸齒波發(fā)生電路。圖中集成運(yùn)放A1組成滯回比較器；二極管VD1、VD2和電位器Rw，使積分電路的充放電回路分開(kāi)，故A2組成充放電時(shí)間常數(shù)不等的積分電路。調(diào)節(jié)電位器Rw滑動(dòng)端的位置，使Rw1遠(yuǎn)小于Rw2，則電容放電的時(shí)間常數(shù)將比充電的時(shí)間常數(shù)小得多，于是放電過(guò)程很快，而充電過(guò)程很慢，即可得鋸齒波。滯回比較器輸出的矩形波加在積分電路的反相輸入端，而積分電路輸出的鋸齒波又接到滯回比較器的同相輸入端，控制滯回比較器輸出端的狀態(tài)發(fā)生跳變，從而在A2的輸出端得到周期性的鋸齒波。圖5 鋸齒波發(fā)生器整體電路（2）工作原理假設(shè)初始時(shí)刻滯

10、回比較器輸出端為高電平，而且假設(shè)積分電容上的初始電壓為零。由于A1同相輸入端的電壓U+同時(shí)與Uo1和Uo有關(guān)，根據(jù)疊加原理，可得： （7）則此時(shí)U+也為高電平。但當(dāng)時(shí)，積分電路的輸出電壓Uo將隨著時(shí)間往負(fù)方向線性增長(zhǎng)，U+隨之減小，當(dāng)減小至?xí)r，滯回比較器的輸出端將發(fā)生跳變，使，同時(shí)U+將跳變?yōu)橐粋€(gè)負(fù)值。以后，積分電路的輸出電壓將隨著時(shí)間往正方向線性增長(zhǎng)，U+也隨之增大，當(dāng)增大至?xí)r，滯回比較器的輸出端再次發(fā)生跳變，使,同時(shí)U+也跳變?yōu)橐粋€(gè)正值。然后重復(fù)以上過(guò)程，于是可得滯回比較器的輸出電壓為矩形波，而由于積分電路的充放電時(shí)間不等，故積分電路輸出電壓Uo為鋸齒波。如圖6所示： 圖6 鋸齒波發(fā)生電路

11、的波形圖 要使得幅度可調(diào)，實(shí)際電路中采用滑動(dòng)變阻器；調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器即可改變鋸齒波的輸出幅度。從而滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)三角波發(fā)生電路震蕩周期的計(jì)算方法，可以得出下降時(shí)間和上升時(shí)間分別為：  所以震蕩周期為：             將R1和R2設(shè)為電位器，則調(diào)整R1和R2、WR的阻值以及C的容量，可以改震蕩周期。調(diào)整WR的值可以改變的輸出波形的占空比，以及鋸齒波上升和下降斜率。 根據(jù)積分器的特點(diǎn)，鋸齒波的轉(zhuǎn)換須將時(shí)間常數(shù)設(shè)置的盡量小一點(diǎn)，可以選擇C為1uf,&

12、#160; 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值為10V,電位器R1取500，R2取500，WR取15K，R4取10K，R5取5K,R6取20K，R7取10K。5、 總原理圖及元器件清單（1） 總原理圖（2） 鋸齒波產(chǎn)生電路（3） 直流偏置電路同向求和電路中，多個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)作用于集成運(yùn)放的同向輸入端。根據(jù)運(yùn)算關(guān)系，得：  同向輸入端電位為：                 其中RP=R10/R11/R13  

13、經(jīng)計(jì)算可得： +在此電路中，輸入ui為上一級(jí)的的輸出，ui1輸入+15V，ui2輸入-15V， （1）當(dāng)R9、R13取10K，R10取5K，R11取5K時(shí)，經(jīng)計(jì)算，可得u0為+10V；（2）當(dāng)R9、R13取5K，R10取5K，R11取2.1K時(shí)，經(jīng)計(jì)算，可得u0為-10V。 因此電路中可設(shè)R13=10K，電位器R10、R11取10K，R9取10K。（4）仿真圖（5）元件清單元件序號(hào)型號(hào)及主要參數(shù)數(shù)量（個(gè)）110V/1.5W穩(wěn)壓管22二極管1N414823單運(yùn)放LM31834電位器10k35電位器20k46500、100電阻各175 k電阻284通道示波器19開(kāi)關(guān)110電容1F 1六、結(jié)論與心得為期一周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，回想這一周，雖然我設(shè)計(jì)的多功能鋸齒波發(fā)生器有一兩個(gè)功能沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但是我盡力了，所以自己感覺(jué)過(guò)的很充實(shí)。通過(guò)這次對(duì)多功能鋸齒波發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過(guò)對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書(shū)本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真