正弦波三角波函數(shù)發(fā)生器

1、XXX學(xué)校XXX 院綜合課程設(shè)計(jì)專業(yè)名稱 班級學(xué)號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)時間設(shè)計(jì)題目2018.12.172018.1.4課程設(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè)：學(xué)號：學(xué)生姓名 簽名）：設(shè)計(jì)題目：一、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)條件XXX實(shí)驗(yàn)室Proteus 軟件Multisim 軟件二、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求1. 實(shí)現(xiàn)頻率為10kHz,峰峰值士 5v的正弦波到三角波的變換；2. 整體電路由模擬器件產(chǎn)生；3. 實(shí)現(xiàn)三種不同電路產(chǎn)生。三、設(shè)計(jì)報(bào)告的內(nèi)容1. 設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù)書）2. 前言緒論）（ 設(shè)計(jì)的目的、意義等3. 設(shè)計(jì)主體各部分設(shè)計(jì)內(nèi)容、分析、結(jié)論等）4. 結(jié)束語設(shè)計(jì)的收獲、體會等）5. 參考資料四、設(shè)計(jì)時間與安排1、設(shè)計(jì)時

2、間：2 周2、設(shè)計(jì)時間安排：熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備、收集資料：天設(shè)計(jì)圖紙、實(shí)驗(yàn)、計(jì)算、程序編寫調(diào)試：天編寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告：天答辯：天1、 前 言函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件（ 如低頻信號函數(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, 它是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一。 在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時，都學(xué)要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測

3、量被測儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號, 如正弦波 , 三角波 , 方波等 , 因而廣泛用于通信、雷達(dá)、宇航等領(lǐng)域。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本設(shè)計(jì)報(bào)告由三種方法實(shí)現(xiàn)了正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。 b5E2RGbCAP現(xiàn)今世界中電子技術(shù)與電子產(chǎn)品的應(yīng)用越加廣泛，人們對電子技術(shù)的要求也越來越高。因此如何根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)出簡便實(shí)用的電子技術(shù)物品便顯得尤為重要。靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。能將簡單的易獲取的信號轉(zhuǎn)換為自己所需的復(fù)雜信號是一項(xiàng)必不

4、可少的技術(shù)。我們有必要做好這相關(guān)方面的研究，為被測電路提供所需要的信號及各種波形，以便完成各種相關(guān)實(shí)驗(yàn)。信號源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)測試處理中，仿真各種測試信號，提供給被測電路，用來滿足實(shí)驗(yàn)的各種要求。本文所設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器就是信號源的一種，采用集成運(yùn)算放大器、電阻和電容組成簡單的電路，實(shí)現(xiàn)波形的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換。p1EanqFDPw作為電子專業(yè)的學(xué)生，對函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)、仿真、制作是一項(xiàng)最基本的實(shí)踐技能，也是一種很好的鍛煉機(jī)會，是一種綜合能力的鍛煉，它涉及到基本電路原理的知識，Mutisim 仿真軟件的使用，以及電路的搭建，既考驗(yàn)了基本知識的掌握程度，又加強(qiáng)了實(shí)踐。DXDiTa9E3d2、設(shè)計(jì)主

5、體我們采用了三種方法進(jìn)行了波形的變換，分別為限幅器加RC積分電路構(gòu)成的波形變換電路、由放大器構(gòu)成的滯回比較器與積分電路構(gòu)成的波形變換電路、由555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器與放大器構(gòu)成的積分電路的波形變換電路。RTCrpUDGiT從整體上來看，三種電路均是先將正弦波變換成方波，然后將方波積分成為三角波，下面分別介紹三種電路。2.1 方案一：限幅器加RC積分電路構(gòu)成的波形變換電路輸入峰峰值5v,頻率10kHz的正弦波，用二極管1N4148進(jìn)行限幅，然后通過RC積分電路輸出三角波整體電路圖如圖1所示5PCzVD7HxA圖1整體電路圖1N4148的正向?qū)妷簽?.7v ,根據(jù)計(jì)算，正弦曲線在在 2V

6、處的曲線斜率為4.5,可見02V內(nèi)有很好的傾斜特性，限幅輸出的波形傾斜角接近于矩形波，如圖2所示。jLBHrnAILg矩形波通過RC積分電路，輸出為三角波，波形如圖 3所示。積分電路的時間常數(shù)選為0.08ms。如果將RC電路的電容兩端作為輸出端，電路參數(shù)滿足t >>tp的條件，則成為積分電路。由于這種電路電容器充放電進(jìn)行得很慢，因 此電阻R上的電壓ur(t>近似等于輸入電壓ui(t> ,其輸出電壓uo(t> 為： xHAQX74J0X%=E 匕或二3喂“噎也上式表明，輸出電壓uo(t>與輸入電壓ui(t>近似地成積分關(guān)圖2仿真波形圖系，仿真波形如圖3所

7、示。RC積分電路動態(tài)過程:1>t=t1時，Vi由0->Vmi,因?yàn)殡娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔?，所以?時 Vo=Vc=0。2>t1<t>tw, 電容充電非常緩慢.3>t=t2時，VI由Vmr>0,相當(dāng)于輸入端被短路，電容原先充有左 正右負(fù)電 壓VI<VI>tW,即充電時間很長，使得充電電壓未來得及充 到Vm最大電壓，就開始放電了）經(jīng) R緩慢放電，VO<VC按指數(shù)規(guī)律 下降。 LDAYtRyKfE這樣，輸出信號就是鋸齒波，近似為三角形波，p>>tW是本電路必要條件，因?yàn)樗?在方波到來期間，電容只是緩慢充電，VC還未上升到vm寸

8、，方波就消失，電容 開始放電，以免電容電壓出現(xiàn)一個 穩(wěn)定電壓值，而且越大，鋸齒波越接近三角波。輸出波形是對輸入波形積分運(yùn)算的結(jié)果，他是突出輸入信號的直流及緩變分量，降低 輸入信號的變化量。這樣的積分電路配合施密斯觸發(fā)器的應(yīng)用便可以得到標(biāo)準(zhǔn)矩形波的延時電路。Zzz6ZB2Ltk圖3仿真波形文件2.2 方案二：放大器構(gòu)成的滯回比較器與積分電路構(gòu)成的波形變換電輸入峰峰值5v,頻率10kHz的正弦波，由放大器構(gòu)成的施密特觸 發(fā)器可將正弦波變?yōu)榉讲ǎ讲ㄝ斎氲椒糯笃鳂?gòu)成的積分電路，輸出為三角波，整體電路如圖 4所示。dvzfvkwMIIHi'圖4 整體電路圖2.2.1 、滯回比較器都成電路如圖5

9、所示 XFG1圖5滯回比較器電路圖運(yùn)放如圖有兩個輸入端2反相輸入端），b同相輸入端）和一個 輸出端o。也分別被稱為倒向輸入端非倒向輸入端和輸出端。當(dāng)電壓 U-加在a端和公共端 公共端是電壓為零的點(diǎn)，它相當(dāng)于電路中的參 考結(jié)點(diǎn)。）之間，且其實(shí)際方向從 a端高于公共端時，輸出電壓 U實(shí) 際方向則自公共端指向o端，即兩者的方向正好相反。當(dāng)輸入電壓 U+ 加在b端和公共端之間，U與U+W者的實(shí)際方向相對公共端恰好相同。為了區(qū)別起見，a 端和 b 端分別用 "-" 和 "+" 號標(biāo)出，但不要將它們誤認(rèn)為電壓參考方向的正負(fù)極性。電壓的正負(fù)極性應(yīng)另外標(biāo)出或用箭頭表示。

10、rqyn14ZNXI運(yùn)放的供電方式分雙電源供電與單電源供電兩種。對于雙電源供電運(yùn)放，其輸出可在零電壓兩側(cè)變化，在差動輸入電壓為零時輸出也可置零。采用單電源供電的運(yùn)放，輸出在電源與地之間的某一范圍變化。 EmxvxOtOco方波輸出信號的幅度發(fā)生在輸入電壓的兩個臨限值Vu 及 Vi 的邊緣上，其中Vu與Vi值得大小由下面的式子決定。SixE2yXPq5Vu=Vr+R2/(R1+R2>*(Vo-Vr>Vl=Vr-R2/(R1+R2>*(Vo+Vr>式中，Vo=Vz+Vd當(dāng)輸入信號Vi>Vu 時，輸出端將呈現(xiàn)低電平-Vo. 。當(dāng) Vi<Vu 時，則輸出為高電平 V

11、o =Vz+V&對任意波形的輸入，只要電壓的幅度超過磁滯電壓Vh=Vu-Vl ，即可獲得方波。最終的波形如圖6 所示。6ewMyirQFL圖6仿真波形圖2.2.2 放大器構(gòu)成的積分電路為:當(dāng)輸出Vo2(t>達(dá)到最大值時，作為比較器的 A1,其輸出電壓Vol 應(yīng)為負(fù)值，即為-(Vz+Vd>=-Vo因此，根據(jù)重疊定理，A1正相輸入端 的電壓 Vi 為 Vi=-R2/(R1+R2>*Vo1+R1/(R1+R2>*Vo2kavU42VRUs當(dāng)Vi上升到Vr時，比較器將改變狀態(tài)，即 Vo1=+Vo此時，VO2(t>也開始相對地降低。因此，三角波的峰值 Vmax發(fā)生于

12、Vi=Vr 時，代入上面的式子，即可獲得 Vmax=Vr*(R1+R2>/R1+Vo*R2/R體目對 地，三角波的最低電壓應(yīng)為 Vmin=Vr*(R1+R2>/R1-Vo*R2/R1y6v3ALoS89故三角波的振幅為 Vmax-Vmin=2Vo*R2/R1而其平均值很顯然的處于Vr*(R1+R2>/R1的直流電平上。若 Vr=0,則波形將在+Vo*R2/R1與-Vo*R2/R1 之間變動。M2ub6vSTnP積分結(jié)果的波形如圖8所示圖8仿真波形圖1.3 、555定時器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器與放大器構(gòu)成的積分電路的波形 變換電路由555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器，將輸入的輸入峰峰值5

13、v,頻率10kHz的正弦波變成方波，然后將方波積分成為鋸齒波，整體電路圖如圖9所示。OYujCfmUCw圖9整體電路圖其中的555定時器構(gòu)成施密特觸發(fā)器:它含有兩個電壓比較器，一個基本 RS觸發(fā)器，一個放電開關(guān)T, 比較器的參考電壓由三只 5KQ的電阻器構(gòu)成分壓，它們分別使高電 平比較器C1同相比較端和低電平比較器 C2的反相輸入端的參考電平 為Vcc32和Vcc31。C1和C2的輸出端控制RS觸發(fā)器狀態(tài)和放電管開 關(guān)狀態(tài)。當(dāng)輸入信號輸入并超過 Vcc32時，觸發(fā)器復(fù)位，555的輸出 端3腳輸出低電平，同時放電，開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)輸入信號自2腳輸入并低于Vcc31時，觸發(fā)器置位，555的3腳輸出高

14、電平，同時放電， 開關(guān)管截止。DR是復(fù)位端，當(dāng)其為0時，555輸出低電平。平時該端 開路或接Vcc。Vco是控制電壓端5腳），平時輸出Vcc32作為比較 器A1的參考電平，當(dāng)5腳外接一個輸入電壓，即改變了比較器的參 考電平，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的另一種控制，在不接外加電壓時，通常接 一個0.01F w的電容器到地，起濾波作用，以消除外來的干擾，以確 保參考電平的穩(wěn)定。T為放電管，當(dāng)T導(dǎo)通時，將給接于腳7的電容 器提供低阻放電電路eUts8ZQVRd圖10 555定時器內(nèi)部電路圖如圖所示，當(dāng)Vi=0時，由于V11=V12=Vi=0,電壓比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平；基本 RS觸發(fā)器被置“1”態(tài)

15、；則Vi=1,當(dāng)Vi繼續(xù)上升，但在未達(dá)到 2/3Vcc以前，VO=1不會變。當(dāng)Vi升高到 2/3Vcc時，電壓比較器C1輸出低電平，C2輸出高電平；基本 RS觸 發(fā)器被置“0”態(tài)；則 VO=0此后，Vi繼續(xù)上升到 Vcc,然后再降 低，但在降低未達(dá)到1/3Vcc以前，VO=0的狀態(tài)同樣也不會改變。當(dāng)Vi下降到1/3Vcc時，電壓比較器 C1輸出高電平，C2輸出低電平； 基本RS觸發(fā)器被置“1”態(tài)；則VO=1此后，vi繼續(xù)下降到0,然后 再上升，但在未達(dá)到2/3Vcc以前，VO=1的狀態(tài)不會改變。 sQsAEJkW5T仿真波形如圖11所示圖11 仿真波形圖1.4 三種方案比較第一種方案采用二極管

16、作為限幅電路，積分電路采用RC積分電路，電路結(jié)構(gòu)簡單，將正弦波限幅成為方波，波形不太理想。方案二和方案三積分電路相同，均為放大器組成的，有外接元件少，組成的電路結(jié)構(gòu)清晰易懂、電路性能好：放大倍數(shù)高，共模抑制比高，輸入阻抗高，輸出阻抗低，溫度特性好、各種性能的集成運(yùn)放應(yīng)有盡有，使得設(shè)計(jì)各種功能電路十分簡單、集成度高，功耗低，體積小，可靠性高、易于大規(guī)模生產(chǎn)，價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，方案二的施密特觸發(fā)器由運(yùn)算放大器組成，方案三的施密特觸發(fā)器由555 定時器組成，。555定時器是一種多用途的中規(guī)模集成電路，該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容原件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器，方案三輸出的矩形波只有

17、正脈沖信號，而方案三的由正負(fù)脈沖構(gòu)成。GMsIasNXkA3、 結(jié) 束語在這一周的課程設(shè)計(jì)時間里，我們一組積極地到圖書館和網(wǎng)上查詢相關(guān)的知識，并經(jīng)常交流存在的問題。因此，我們對通信原理這門課程有了更為深入的了解。這次課設(shè)所用到的知識不僅和通信原理相關(guān)，也和以前學(xué)習(xí)的模擬電路和數(shù)字電路等有很密切的關(guān)系，由此認(rèn)識到各類學(xué)科之間是相互關(guān)聯(lián)的，在學(xué)習(xí)時，我們不能僅僅局限于這一門學(xué)科，要彼此進(jìn)行聯(lián)系。TIrRGchYzg這次課程設(shè)計(jì)雖然短暫但是對于我來說意義很大。首先，通過這次的課設(shè)提高了我的獨(dú)立思考的能力，使我在邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)上有了很大的進(jìn)步。加深了我對組合邏輯電路與時序邏輯電路的認(rèn)識。另外，我還更加充分的認(rèn)識到，模擬電路以及數(shù)字電路在科學(xué)發(fā)展中的至關(guān)重要性。其次，查閱參考書和獨(dú)立思考的能力的培養(yǎng)非常重要，我們在設(shè)計(jì)電路時，遇到很多不理解的東西或者記得不清楚的東西，有的我們通過查閱參考書弄明白，有的通過網(wǎng)絡(luò)查到。最后，相互討論共同研究也是很重要的，經(jīng)常出現(xiàn)一些問題，開始并不理解余弦波波