多功能鋸齒波發(fā)生器的設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、課程設(shè)計(jì)手冊(cè)課程名稱(chēng)：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)多功能鋸齒波發(fā)生器的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)任務(wù)及要求(1)在控制開(kāi)關(guān)的作用下，可實(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(2)具有輸出幅度調(diào)整、直流偏移調(diào)整、掃描周期調(diào)整功能；(3) 輸出幅度在正負(fù)10V范圍內(nèi)可調(diào)。線(xiàn)性度優(yōu)于0.01 %。(4)以集成運(yùn)算放大器為主要器件。2、方案設(shè)計(jì)與論證鋸齒波發(fā)生器是利用相關(guān)器件組合產(chǎn)生的電路，其中非常重要的部件之一是集成運(yùn)放，以及由集成運(yùn)放組成的遲滯比較器和積分器。集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)整。如果在三角波發(fā)生電路中，積分電路的充電和放電時(shí)間常數(shù)有意識(shí)地不同，在積分電路的輸

2、出端就可以得到鋸齒波信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)幅值可調(diào)，需要將控制輸出電壓幅值的相應(yīng)參數(shù)設(shè)置為可調(diào)參數(shù)。器件及單元電路介紹：集成運(yùn)算放大器、磁滯比較器、積分電路、反比例運(yùn)算電路、555定時(shí)器。3 、單元電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算一、工作原理假設(shè)遲滯比較器的輸出最初為高電平，并且積分電容器兩端的初始電壓為零。由于A 1同相輸入端的電壓U + 同時(shí)與U o1和U o有關(guān)，根據(jù)疊加原理，我們可以得到：(7)那么此時(shí)U +也是高電平。但此時(shí)積分電路的輸出電壓U o會(huì)隨時(shí)間呈負(fù)向線(xiàn)性增加，U +會(huì)相應(yīng)減小。將跳轉(zhuǎn)到負(fù)值。未來(lái)，積分電路的輸出電壓會(huì)隨時(shí)間正向線(xiàn)性增加，U +也會(huì)增加。當(dāng)它增加到 時(shí)，遲滯比較器的輸出會(huì)再次跳變，

3、使U +也跳變。變?yōu)檎?。再重?fù)上述過(guò)程，即可得到遲滯比較器的輸出電壓為矩形波，由于積分電路的充放電次數(shù)不相等，積分電路的輸出電壓Uo為鋸齒波。如圖2所示：圖2 鋸齒波發(fā)生電路波形圖從上圖可以看出，發(fā)生跳躍時(shí)，鋸齒波輸出U o達(dá)到最大值U om ，發(fā)生跳躍的條件為：, 將條件代入式(7)，可得：(8)由此，鋸齒波輸出的幅度可以求解為： (9)為使幅值可調(diào)，由式(9)可知，可以改變參數(shù)，所以實(shí)際電路中采用滑動(dòng)變阻器；通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器可以改變鋸齒波的輸出幅度。從而滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。2.各部分組成電路和元件集成運(yùn)算放大器圖3是集成運(yùn)算放大器的符號(hào)圖。 1、2端子為信號(hào)輸入端子，3、4端子為工作電壓端子

4、，5端子為輸出端子。在實(shí)際應(yīng)用中，還有調(diào)零端子、頻率補(bǔ)償端子、偏置端子等輔助端子。結(jié)尾。集成運(yùn)放的輸入級(jí)通常由差分放大電路組成，因此一般有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。圖中標(biāo)有“+”的為同相輸入端，標(biāo)有“-”的為反相輸入端。當(dāng)信號(hào)從同相端輸入時(shí)，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相，反之亦然。當(dāng)集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，其輸入信號(hào)電壓與輸出信號(hào)電壓的關(guān)系為：(1)公式中是運(yùn)放的放大倍數(shù)，很大，可達(dá)幾十萬(wàn)倍，這就是運(yùn)放和差分放大器的差，和集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端的輸入阻抗對(duì)地非常高，一般高達(dá)幾十萬(wàn)歐到幾兆歐，所以在實(shí)際應(yīng)用中，集成運(yùn)放往往被認(rèn)為是“理想的運(yùn)放”。理想運(yùn)算放大器的兩個(gè)重要規(guī)格是：(1) 差模輸入阻抗為；(2

5、) 開(kāi)環(huán)差模電壓增益 Aod 為。根據(jù)這兩個(gè)指標(biāo)，當(dāng)理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，由于其輸入阻抗為，所以其兩個(gè)輸入端沒(méi)有電流，即在圖1中，就好像兩點(diǎn)斷開(kāi)一樣，這這種現(xiàn)象稱(chēng)為“假斷”。因?yàn)椋鶕?jù)輸入和輸出的關(guān)系： ，認(rèn)為運(yùn)放的同相輸入和反相輸入的電壓相等，就好像兩點(diǎn)短路一樣。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“虛空”?！疤摱搪贰焙汀疤撽P(guān)”是理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)域時(shí)的兩個(gè)重要結(jié)論，常被用作分析許多運(yùn)放電路的起點(diǎn)。當(dāng)理想運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)域時(shí)，“虛短路”現(xiàn)象不再存在。圖3 集成運(yùn)算放大器遲滯比較器該遲滯比較器具有電路簡(jiǎn)單、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。在比較電路中，如果輸入電壓受到干擾或噪聲的影響，在閾值電平上下波動(dòng)，輸出電壓就會(huì)在高低電

6、平之間反復(fù)跳變，例如在控制系統(tǒng)中。情況，將對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。遲滯比較器克服了單限比較器的這一限制。遲滯比較器也稱(chēng)為施密特觸發(fā)器，其電路如圖2所示。圖4 遲滯比較器電路示意圖輸入電壓U i通過(guò)電阻加到集成運(yùn)算放大器的反相輸入端，參考電壓U ref 通過(guò)電阻連接到同相輸入端，并通過(guò)電阻引回同相輸入端。電阻R f 從輸出端。電阻器和背靠背電壓調(diào)節(jié)器VD z的作用是將輸出電壓的幅度限制在U z 。在該電路中，當(dāng)集成載波的反相輸入端和同相輸入端的電位相等時(shí)，輸出端的狀態(tài)會(huì)瞬間跳變。其中，U +由參考電壓U ref和輸出電壓U o 共同決定，U o有兩種可能的狀態(tài)：+U z或-U z ?？梢钥闯觯@

7、個(gè)比較器有兩個(gè)不同的閾值電平，所以傳遞特性是遲滯的，如圖 3 所示。圖 5. 遲滯比較器的傳輸特性以下是對(duì)該電路的定性分析：利用疊加原理，可以得到同相輸入端的電位為： (2)o =+U z原來(lái)，當(dāng)U i逐漸增大時(shí)，使U o從+U z 跳轉(zhuǎn)到-U z 所需的閾值電平用U T+ 表示，由上式可知：(3)o = -U z原來(lái)，當(dāng)U i逐漸減小時(shí)，使U o從-U z躍遷到+U z 所需的閾值電平用U T- 表示，則：(4)上述兩個(gè)閾值水平的差值就成為閾值寬度，用符號(hào)表示，可以從上面兩個(gè)公式中得到：(5)可以看出，閾值寬度的值取決于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓U z和電阻和的值，而與參考電壓U ref無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)

8、，隨著Uref的增加或減少，遲滯比較器的傳輸特性將平行向右或向左移動(dòng)，但遲滯曲線(xiàn)的寬度將保持不變。說(shuō)明磁滯比較器具有很強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)輸入信號(hào)因干擾或噪聲而上下波動(dòng)時(shí)，只要根據(jù)干擾或噪聲適當(dāng)調(diào)整遲滯比較器的兩個(gè)閾值電平UT +和UT-的值，就可以避免比較器的輸出電壓。噪音水平。在高低電平之間反復(fù)跳躍。積分電路集成電路是一種應(yīng)用廣泛的模擬信號(hào)運(yùn)算電路。它是模擬計(jì)算機(jī)的基本單元，可以模擬微分方程。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)各種波形的延時(shí)、定時(shí)和產(chǎn)生。電路組成如圖6所示。根據(jù)理想運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)“虛短路”和“虛斷”的特性，可知電路的輸出電壓U o

9、 與電容兩端的電壓 U c ，而電路i的輸入電壓 U 與流過(guò)電容的電流 ic 成正比，即 U o和 U i之間的關(guān)系是積分運(yùn)算。圖 6 積分器電路由于集成運(yùn)放的反相輸入端為“虛地”，可見(jiàn)輸出電壓與電容兩端的電壓成正比。并且由于“虛斷”，操作器反相輸入端的電流為零，所以輸入電壓與流過(guò)電容的電流成正比。從上面的表達(dá)式，我們可以得到：(6)由此可見(jiàn)，當(dāng)輸入電壓為矩形波時(shí)，可以通過(guò)積分轉(zhuǎn)換將輸出電壓轉(zhuǎn)換為三角波。4、一般原理圖及元器件清單1.一般示意圖2. 組件清單安裝和調(diào)試6.性能測(cè)試與分析（編寫(xiě)仿真調(diào)試與分析）幅度可調(diào)鋸齒波發(fā)生電路包括兩部分，一是集成運(yùn)放組成的磁滯比較器電路，二是集成運(yùn)放組成的積

10、分電路。其主要元件包括集成運(yùn)算放大器、電容器、電阻器、可調(diào)電位器、二極管和穩(wěn)壓器。積分電路的輸出電壓接到示波器通道A的一端，可以對(duì)電路進(jìn)行仿真，得到仿真結(jié)果。電路中使用了虛擬器件，可能會(huì)影響仿真結(jié)果。模擬時(shí)鋸齒波的最大振幅略大于理論值。模擬結(jié)果與預(yù)期大致相同。集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的鋸齒波發(fā)生器電路基本滿(mǎn)足要求，555定時(shí)器用于間歇掃描，反比例運(yùn)算電路用于調(diào)幅；電路優(yōu)點(diǎn)：不僅電路簡(jiǎn)單，器件選擇靈活，而且性能更好。電路的缺點(diǎn)：電路引入了深度負(fù)反饋，保證集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。在線(xiàn)性區(qū)，差模輸入電壓特別小，限制了集成運(yùn)放輸入電壓的幅度。如果要獲得更大幅度的鋸齒波，則不應(yīng)使用此電路。另外，電路中使用了滑動(dòng)變阻器，不適合對(duì)電路精度有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。生成鋸齒幅度可調(diào)的鋸齒鋸齒周期可調(diào)可調(diào)鋸齒形狀進(jìn)行間歇性?huà)呙鑶蚊}沖鋸齒七、結(jié)論與經(jīng)驗(yàn)集成運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的鋸齒波發(fā)生器電路基本滿(mǎn)足要求，555定時(shí)器用于間歇掃描，反比例運(yùn)算電路用于調(diào)幅；電路優(yōu)點(diǎn)：不僅電路簡(jiǎn)單，器件選擇靈活，而且性能更好。電路的缺點(diǎn)：電路引入了深度負(fù)反饋，保證集成運(yùn)放工作在線(xiàn)性區(qū)。在線(xiàn)性區(qū)，差模輸入電壓非常小，限制了集成運(yùn)放輸入電壓的幅度。如果要獲得更大幅度的鋸齒波，則不應(yīng)使用此電路。另外，電路中使用了滑動(dòng)變阻器，不適合