正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器

...wd......wd......wd...課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)課程設(shè)計(jì)名稱：模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)題目：正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器學(xué)院名稱：信息工程學(xué)院專業(yè)：通信工程班級(jí)：090421學(xué)號(hào)：09042134姓名：趙尚虎評(píng)分：教師：2011年3月任務(wù)書(shū)題目3：設(shè)計(jì)制作一個(gè)產(chǎn)生正弦波—方波—鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)任務(wù)和要求輸出波形頻率范圍為0.02Hz~20KHz且連續(xù)可調(diào)；正弦波幅值為±2V；方波幅值為2 V；鋸齒波峰-峰值為2V，占空比可調(diào)；摘要本次課程設(shè)計(jì)的目的是：應(yīng)用電路分析低頻等所學(xué)的知識(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)發(fā)生器。設(shè)計(jì)的正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)發(fā)生器是由正弦波發(fā)生器、過(guò)零比擬器、積分電路等三大局部組成。正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，正弦波經(jīng)過(guò)過(guò)零比擬器轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲?，方波?jīng)過(guò)積分電路產(chǎn)生鋸齒波。關(guān)鍵字：正弦波、方波、鋸齒波目錄第一章設(shè)計(jì)目的及任務(wù)1.1課程設(shè)計(jì)的目的………51.2課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求………………51.3課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)…………………5第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇……………2.1方案提出………………62.2方案論證和選擇………6第三章系統(tǒng)組成及工作原理………………3.1系統(tǒng)組成………………73.2正弦波發(fā)生電路的工作原理…………73.3正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的工作原理……83.4方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的工作原理…………………93.5總電路圖………………11第四章單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇……4.1正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)………………124.2正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的設(shè)計(jì)…………134.3方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的設(shè)計(jì)………14第五章實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果與分析……………5.1電路總體仿真圖如下所示……………175.2調(diào)試方法與調(diào)試過(guò)程…………………18第六章結(jié)論………………21參考文獻(xiàn)……………………23附錄〔元器件清單〕……………………23第一章設(shè)計(jì)的目的及任務(wù)1．1課程設(shè)計(jì)的目的1．掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法2．掌握模擬器件的應(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)試的根本方法1．2課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.設(shè)計(jì)制作一個(gè)正弦波-方波-鋸齒波函數(shù)轉(zhuǎn)換器2.能同時(shí)輸出一定頻率一定幅度的3種波形：正弦波、方波和鋸齒波3.可以用±12V或±15V直流穩(wěn)壓電源供電1．3課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)1．設(shè)計(jì)、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器2．輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波3．頻率范圍：在0.02HZ-20KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)4．輸出電壓：正弦波幅值+2V、方波幅值2V，鋸齒波峰峰值2V，占空比可調(diào)第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇2.1方案提出方案一：RC正弦波振蕩電路、電壓比擬器、積分電路共同組成的正弦波—方波—鋸齒波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過(guò)RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過(guò)電壓比擬器產(chǎn)生方波，最后通過(guò)積分電路形成鋸齒波。方案二：采用直接頻率合成器，從信號(hào)的幅度相位關(guān)系出發(fā)進(jìn)展頻率合成。2.2方案論證和選擇方案一電路是通過(guò)RC正弦波振蕩電路，具有良好的正弦波，正弦波通過(guò)電壓比擬器產(chǎn)生穩(wěn)定的方波信號(hào)，方波信號(hào)經(jīng)過(guò)積分器產(chǎn)生鋸齒波，方案一的電路能通過(guò)改變門限電壓，改變方波的占空比，而且此方案可調(diào)節(jié)正弦波的幅值。電路簡(jiǎn)單有效，精度較高，性價(jià)比高，易于制作，能應(yīng)用于各種波形仿真、實(shí)驗(yàn)應(yīng)用等。方案二能實(shí)現(xiàn)快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的構(gòu)造復(fù)雜、體積龐大、本錢高，而且容易產(chǎn)生過(guò)多的雜散分量，難以到達(dá)較高的頻譜純度。相對(duì)而言，方案一較為合理有效，因此選擇方案一。第三章系統(tǒng)組成及工作原理3.1系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)框圖RC正弦波振蕩電路：確定選頻網(wǎng)絡(luò)是串聯(lián)還是并聯(lián)，用滑動(dòng)變阻器代替電阻，以起到選頻的效果，反響局部用兩個(gè)并聯(lián)的二極管，起到穩(wěn)幅的作用，再加滑動(dòng)變阻器，用以改變正弦波的幅度；電壓比擬器：正弦波經(jīng)過(guò)電壓比擬器變成方波，要改變方波的占空比就得改變其門限電壓，通過(guò)外加受滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)可調(diào)門限電壓；積分器：占空比調(diào)小后的方波經(jīng)過(guò)積分器即可得到鋸齒波。積分器鋸齒波電壓比較電壓比較自激振蕩產(chǎn)生正選波〔RC正選波振蕩電路〕積分器鋸齒波電壓比較電壓比較自激振蕩產(chǎn)生正選波〔RC正選波振蕩電路〕圖13.2正弦波發(fā)生電路的工作原理產(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響，并創(chuàng)造條件，使其產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩。正弦波產(chǎn)生電路的根本構(gòu)造是：引入正反響的反響網(wǎng)絡(luò)和放大電路。其中：接入正反響是產(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，正弦波產(chǎn)生電路一般包括：放大電路、反響網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路等四個(gè)局部。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(guò)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〕正反響網(wǎng)絡(luò)：引入正反響，使放大電路的輸入信號(hào)等于其反響信號(hào)。4〕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。判斷電路是否振蕩的方法是：〔1〕是否滿足相位條件，即電路是否是正反響，只有滿足相位條件才可能產(chǎn)生振蕩〔2〕放大電路的構(gòu)造是否合理，有無(wú)放大能力，靜態(tài)工作是否適宜；〔3〕是否滿足幅度條件正弦波振蕩電路檢驗(yàn)，假設(shè)：(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，輸出波形的失真小分類：按選頻網(wǎng)絡(luò)的元件類型，把正先振蕩電路分為：RC正弦波振蕩電路；LC正弦波振蕩電路；石英晶體正弦波振蕩電路。RC正弦波振蕩電路常見(jiàn)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)在此作為選頻和反響網(wǎng)絡(luò)。它的起振條件為：。它的振蕩頻率為：f0=1/(2RC)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：f0=1/(2RC)。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。3.3正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的工作原理在單限比擬器中，輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來(lái)源于輸入信號(hào)還是外部干擾。因此，雖然單限比擬器很靈敏，但是抗干擾能力差。而滯回比擬器具有滯回特性，即具有慣性，因此也就具有一定的抗干擾能力。從反向輸入端輸人的滯回比擬器電路如圖1a所示，滯回比擬器電路中引人了正反響。從集成運(yùn)放輸出端的限幅電路可以看出，Uo＝±UZ。集成運(yùn)放反相輸人端電位Up＝Ui同相輸入端電位圖2令UN=Up求出的Ui就是閥值電壓輸出電壓在輸人電壓U，等于閥值電壓時(shí)是如何變化的呢假設(shè)Ui<-UT，那么UN一定小于Up，因而Uo＝+Uz，所以Up=+UYO。只有當(dāng)輸人電壓Ui增大到+UT，再增大一個(gè)無(wú)窮小量時(shí)，輸出電壓Uo才會(huì)從+UT躍變?yōu)?UT。同理，假設(shè)Ui>+UT，那么UN一定大于Up，因而Uo＝-UZ，所以Up＝-UT。只有當(dāng)輸人電壓Ui減小到-UT，再減小一個(gè)無(wú)窮小量時(shí)，輸出電壓Uo才會(huì)從-UT躍變?yōu)?UT。可見(jiàn)，Uo從+UT躍變?yōu)?UT和從-UT躍變?yōu)?UT的閥值電壓是不同的，電壓傳輸特性如圖b)所示。從電壓傳輸特性上可以看出，當(dāng)-UT＜Ui＜+UT時(shí)，Uo可能是-UT，也可能是+UT。如果Ui是從小于-UT，的值逐漸增大到-UT<Ui<+UT，那么Uo應(yīng)為+UT；如果Ui從大于+UT的值逐漸減小到-UT<Ui<+UT，那么應(yīng)為-UT。曲線具有方向性，如圖b)所示。實(shí)際上，由于集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)差模增益不是無(wú)窮大，只有當(dāng)它的差模輸人電壓足夠大時(shí)，輸出電壓Uo才為±UZ。Uo在從+UT變?yōu)?UT或從-UT變?yōu)?UT的過(guò)程中，隨著Ui的變化，將經(jīng)過(guò)線性區(qū)，并需要一定的時(shí)間。滯回比擬器中引人了正反響，加快了Uo的轉(zhuǎn)換速度。例如，當(dāng)Uo＝+UZ、Up=+UT時(shí)，只要Ui略大于+UT足以引起Uo的下降，即會(huì)產(chǎn)生如下的正反響過(guò)程：Uo的下降導(dǎo)致Up下降，而Up的下降又使得Uo進(jìn)一步下降，反響的結(jié)果使Uo迅速變?yōu)椋璘T，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。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)，其傳輸特性曲線如以下列圖所示：圖33.4方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的工作原理圖4當(dāng)輸入信號(hào)為占空比調(diào)小后的方波時(shí)，其輸出信號(hào)為鋸齒波，電路波形圖如下：圖53.5總電路圖圖6第四章單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算、器件選擇4.1正弦波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)本電路中采用RC橋式正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，其電路圖如下所示：圖7該電路Rf回路串聯(lián)兩個(gè)并聯(lián)的二極管，如上圖所示串聯(lián)了兩個(gè)并聯(lián)的1N4148二極管，這樣利用電流增大時(shí)二極管動(dòng)態(tài)電阻減小、電流減小時(shí)動(dòng)態(tài)電阻增大的特點(diǎn)，參加非線性環(huán)節(jié)，從而使輸出電壓穩(wěn)定。此時(shí)輸出電壓系數(shù)為Au=1+(Rf+rd)/R1RC振蕩的頻率為：fo1/2piRC用Multisim10.0對(duì)電路進(jìn)展仿真得到正弦波：圖8仿真與理論接近4.2正弦波轉(zhuǎn)換方波電路的設(shè)計(jì)本電路可以采用滯回電壓比擬器將正弦波轉(zhuǎn)成方波，其電路原理如以下列圖所示：圖9原理上文已講述，此處省略。也可以采用和滯回比擬器功能相似的另一電路實(shí)現(xiàn)，如以下列圖：圖10輸出電壓幅值僅由穩(wěn)壓管決定，所以選穩(wěn)壓管〔1N4748〕。用Multisim10.0對(duì)其進(jìn)展仿真得到如下波形圖：圖114.3方波轉(zhuǎn)換成鋸齒波電路的設(shè)計(jì)本電路中方波轉(zhuǎn)成鋸齒波采用積分電路，其電路原理如以下列圖所示：圖12積分電路：U0=-+u0(t1)其中，積分電路圖中的電路圖13用于調(diào)節(jié)占空比。鋸齒波形如以下列圖所示：圖14第五章實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及測(cè)試結(jié)果與分析5.1電路總體仿真圖如下所示圖15輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波頻率范圍：在0.02HZ-20KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)輸出電壓：正弦波幅值約為±2V、方波幅值約為2V，鋸齒波峰峰值約為2V，占空比可調(diào)5.2調(diào)試方法與調(diào)試過(guò)程總電路圖如下所示圖16圖17該電路分為三局部，第一局部為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，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R2改變正弦波幅值；第二局部為類似電壓比擬器的電路，其功能為將正弦波轉(zhuǎn)成方波；第三局部為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉(zhuǎn)成鋸齒波，鋸齒波通過(guò)調(diào)節(jié)R8的大小改變鋸齒波的幅值。在正弦波產(chǎn)生電路中f=1/2piRC,改變RC的值可以改變電路的信號(hào)頻率，在積分電路中，改變R9的值可以改變方波的占空比。①實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：正弦波幅值〔v〕±1.96方波幅值(v)±2.0鋸齒波峰峰值(v)2.1②數(shù)據(jù)分析：實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，在誤差范圍內(nèi)，都符合設(shè)計(jì)要求。③誤差分析：ⅰ.電阻的實(shí)際值與標(biāo)稱值存在誤差；ⅱ.RC選頻網(wǎng)絡(luò)中的R、C參數(shù)的選擇不合理導(dǎo)致頻率的選擇不達(dá)不到要求；ⅲ.電位器的大小選擇不適宜，導(dǎo)致調(diào)節(jié)的精度不夠高；ⅳ.焊接時(shí)管腳的連接容易短路或開(kāi)路，導(dǎo)致波形不能出來(lái)；第六章結(jié)論1要滿足課設(shè)的頻率調(diào)節(jié)要求，0.02HZ——20KHZ，這個(gè)局部：需要該進(jìn)成的多檔調(diào)節(jié)〔此方法是模擬電子技術(shù)根本教程課本上P281的震蕩頻率連續(xù)可調(diào)的RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)〕或者是更多的檔位〔多向開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)室也沒(méi)有，所以只能夠用一個(gè)電容，因此頻率調(diào)節(jié)的范圍就小了〕。模塊二：以下是過(guò)零比擬器電路，用來(lái)將正弦波轉(zhuǎn)換成方波的局部2對(duì)于是一個(gè)穩(wěn)幅電路，其作用是穩(wěn)定方波的幅值，使之滿足課設(shè)要求的2V〔可是實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有這樣幅值的穩(wěn)壓管，給的是6V的所以輸出的要求不能滿足〕。模塊三：以下是調(diào)節(jié)方波占空比的電路，用來(lái)將方波轉(zhuǎn)換成矩形波的局部這個(gè)電路在實(shí)際中好似沒(méi)有多大的效果，我個(gè)人估計(jì)這樣的電路需要在輸出與前一級(jí)輸入之間有個(gè)反響！不過(guò)在后來(lái)的求證當(dāng)中，為了調(diào)節(jié)方波的占空比，可以再第二級(jí)的局部稍作改動(dòng)，將過(guò)零比擬器改為不過(guò)零的，即放大器的正極管腳輸入一個(gè)穩(wěn)定的電壓就可以使得翻轉(zhuǎn)電壓因此而改變，改良圖：。這樣在第二級(jí)輸出的圖形就直接是矩形波了。3：以下是積分電路，用來(lái)將矩形波轉(zhuǎn)換成鋸齒波的局部1