三角波、方波、正弦波發(fā)生電路

...wd......wd......wd...波形發(fā)生電路要求：設(shè)計(jì)并制作用分立元件和集成運(yùn)算放大器組成的能產(chǎn)生方波、三角波和正弦波的波形發(fā)生器。指標(biāo)：輸出頻率分別為：102HZ、103HZ和104Hz；方波的輸出電壓峰峰值VPP≥20V〔1〕方案的提出方案一：1、由文氏橋振蕩產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)。2、把文氏橋產(chǎn)生的正弦波通過一個(gè)過零比擬器從而把正弦波轉(zhuǎn)換成方波。3、把方波信號(hào)通過一個(gè)積分器。轉(zhuǎn)換成三角波。方案二：1、由滯回比擬器和積分器構(gòu)成方波三角波產(chǎn)生電路。2、然后通過低通濾波把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波信號(hào)。方案三：1、由比擬器和積分器構(gòu)成方波三角波產(chǎn)生電路。2、用折線法把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波?！?〕方案的比擬與確定方案一：文氏橋的振蕩原理：正反響RC網(wǎng)絡(luò)與反響支路構(gòu)成橋式反響電路。當(dāng)R1=R2、C1=C2。即f=f0時(shí)，F(xiàn)=1/3、Au=3。然而，起振條件為Au略大于3。實(shí)際操作時(shí)，如果要滿足振蕩條件R4/R3=2時(shí)，起振很慢。如果R4/R3大于2時(shí)，正弦波信號(hào)頂部失真。調(diào)試?yán)щy。RC串、并聯(lián)選頻電路的幅頻特性不對(duì)稱，且選擇性較差。因此放棄方案一。方案二：把滯回比擬器和積分比擬器首尾相接形成正反響閉環(huán)系統(tǒng)，就構(gòu)成三角波發(fā)生器和方波發(fā)生器。比擬器輸出的方波經(jīng)積分可得到三角波、三角波又觸發(fā)比擬器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波，這樣即可構(gòu)成三角波和方波發(fā)生器。通過低通濾波把三角波轉(zhuǎn)換成正弦波是在三角波電壓為固定頻率或頻率變化范圍很小的情況下使用。然而，指標(biāo)要求輸出頻率分別為102HZ、103HZ和104Hz。因此不滿足使用低通濾波的條件。放棄方案二。方案三：方波、三角波發(fā)生器原理如同方案二。比擬三角波和正弦波的波形可以發(fā)現(xiàn)，在正弦波從零逐漸增大到峰值的過程中，與三角波的差異越來越大;即零附近的差異最小,峰值附近差異最大。因此，根據(jù)正弦波與三角波的差異，將三角波分成假設(shè)干段，按不同的比例衰減，就可以得到近似與正弦波的折線化波形。而且折線法不受頻率范圍的限制。綜合以上三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選擇方案三來完本錢次課程設(shè)計(jì)?！?〕工作原理：1、方波、三角波發(fā)生電路原理該電路由滯回比擬器和積分器組成。圖中滯回比擬器的輸出電壓，它的輸入電壓就是積分電路的輸出電壓u02。則U1A的同相輸入端的電位：,令up=un=0，則閥值電壓：；積分電路的輸入電壓是滯回比擬器的輸出電壓u01，而且不是+Uz，就是-Uz，所以輸出電壓的表達(dá)式為：；設(shè)初態(tài)時(shí)u01正好從-Uz躍變到+Uz，則：，積分電路反向積分，u02隨時(shí)間的增長(zhǎng)線性下降，一旦u02=-Ut，在稍減小，u01將從+Uz躍變?yōu)?Uz，使式變?yōu)椋?，積分電路正向積分，u02隨時(shí)間增長(zhǎng)線性增大，一旦u02=+Ut，再稍微增大，uo1將從-Uz躍變?yōu)?Uz，回到初態(tài)。電路重復(fù)上述過程，因而產(chǎn)生自激振蕩。由上分析，u01是方波，且占空比為50%，幅值為；u02是三角波，幅值為。取正向積分過程，正向積分的起始值-Ut，終了值+Ut，積分時(shí)間為T/2，代入，得，式中，整理可得：。2、正弦波發(fā)生電路原理折線法是用多段直線逼近正弦波的一種方法。其根本思路是將三角波分成假設(shè)干段，分別按不同比例衰減，所獲得的波形就近似為正弦波。以下列圖畫出了波形的1/4周期，用四段折線逼近正弦波的情況。圖中UImax為輸入三角波電壓幅值。根據(jù)上述思路，可以采用增益自動(dòng)調(diào)節(jié)的運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)。利用二極管開關(guān)和電阻構(gòu)成反響通路，隨著輸入電壓的數(shù)值不同而改變電路的增益。在ωt=0°~25°段，輸出的“正弦波〞用此段三角波近似〔二者重合〕，因此，此段放大電路的電壓增益為1。由于ωt=25°時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)正弦波的值為sin25°≈0.423，這里uO=uI=25/90UImax≈0.278UImax，所以，在ωt=90°時(shí)，輸出的“正弦波〞的值應(yīng)為uO=0.278/0.423UImax≈0.657UImax。在ωt=50°時(shí)，輸入三角波的值為uI=50/90UImax≈0.556UImax，要求輸出電壓uO=0.657UImax×sin50°≈0.503UImax，可得在25°~50°段，電路的增益應(yīng)為ΔuO/ΔuI=(0.503?0.278)/(0.556?0.278)=0.809。在ωt=70°時(shí)，輸入三角波的值為uI=70/90UImax≈0.778UImax，要求輸出電壓uO=0.657UImax×sin70°≈0.617UImax，可得在50°~70°段，電路的增益應(yīng)為ΔuO/ΔuI=(0617?0.503)/(0.778?0.556)=0.514。在ωt=90°時(shí)，輸入三角波的值為uI=UImax，要求輸出電壓uO≈0.657UImax，可得在70°~90°段，電路的增益應(yīng)為ΔuO/ΔuI=(0.657?0.617)/(1?0.778)=0.180。下頁(yè)圖所示是實(shí)現(xiàn)上述思路的反相放大電路。圖中二極管D3～D5及相應(yīng)的電阻用于調(diào)節(jié)輸出電壓u03>0時(shí)的增益，二極管D6～D8及相應(yīng)的電阻用于調(diào)節(jié)輸出電壓u03<0時(shí)的增益。電路的工作原理分析如下。當(dāng)輸入電壓uI<0.278UImax時(shí)，增益為1，要求圖中所有二極管均不導(dǎo)通，所以反響電阻Rf=R11。據(jù)此可以選定Rf=R11=R6的阻值均為1kΩ。當(dāng)ωt=25°~50°時(shí)，電壓增益為0.809，要求D1導(dǎo)通，則應(yīng)滿足:，解出R13=4.236kΩ。由于在ωt=25°這一點(diǎn)，D1開場(chǎng)導(dǎo)通，所以，此時(shí)二極管D1正極電位應(yīng)等于二極管的閾值電壓Vth。由圖可得:,式中u03是ωt=25°時(shí)輸出電壓的值，即為0.278UImax。取UImax=10V，Uth=0.7V，則有解出R14=31.97kΩ。電阻取標(biāo)準(zhǔn)值，則R13=4.22kΩ，R14=31.6kΩ。其余分析如上。需要說明，為使各二極管能夠工作在開關(guān)狀態(tài)，對(duì)輸入三角波的幅度有一定的要求，如果輸入三角波的幅度過小，輸出電壓的值缺乏以使各二極管依次導(dǎo)通，電路將無(wú)法正常工作，所以上述電路采用比列可調(diào)節(jié)的比例運(yùn)算電路〔U3A模塊〕將輸出的三角波的幅值調(diào)至?！?〕元件選擇：①選擇集成運(yùn)算放大器由于方波前后沿與用作開關(guān)的器件U1A的轉(zhuǎn)換速率SR有關(guān)，因此當(dāng)輸出方波的重復(fù)頻率較高時(shí)，集成運(yùn)算放大器A1應(yīng)選用高速運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器U2B的選擇：積分運(yùn)算電路的積分誤差除了與積分電容的質(zhì)量有關(guān)外，主要事集成放大器參數(shù)非理想所致。因此為了減小積分誤差，應(yīng)選用輸入失調(diào)參數(shù)〔VI0、Ii0、△Vi0/△T、△Ii0/△T〕小，開環(huán)增益高、輸入電阻高，開環(huán)帶較寬的運(yùn)算放大器。反相比例運(yùn)算放大器要求放大不失真。因此選擇信噪比低，轉(zhuǎn)換速率SR高的運(yùn)算放大器。經(jīng)過芯片資料的查詢，TL082雙運(yùn)算放大轉(zhuǎn)換速率SR=14V/us。符合各項(xiàng)指標(biāo)要求。②選擇穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管Dz的作用是限制和確定方波的幅度，因此要根據(jù)設(shè)計(jì)所要求的方波幅度來選穩(wěn)壓管電壓Dz。為了得到對(duì)稱的方波輸出，通常應(yīng)選用高精度的雙向穩(wěn)壓管③電阻為1/4W的金屬薄膜電阻，電位器為精細(xì)電位器。④電容為普通瓷片電容與電解電容。〔5〕仿真與調(diào)試按如下電路圖連接連接完成后仿真，仿真組圖如下仿真完成后開場(chǎng)焊接電路，焊接完成后開場(chǎng)調(diào)試，調(diào)試組圖如下：?！?〕總結(jié)該設(shè)計(jì)完全滿足指標(biāo)要求。第一：下限頻率較高：70hz。原因分析：電位器最大阻值和相關(guān)電阻阻值的參數(shù)不準(zhǔn)確。改良：用阻值精細(xì)電位器和電阻。第二：正弦波在10000HZ時(shí)，波形已變壞。原因分析：折線法中各電阻阻值不精準(zhǔn),TL082CD不滿足參數(shù)要求。改良:采用精準(zhǔn)電阻,用NE5532代替TL082CD。.〔6〕心得體會(huì)“失敗乃成功之母〞。從始時(shí)的調(diào)試到最后完成課程設(shè)計(jì)經(jīng)歷了屢次失敗。不能半途而廢，永不放棄的精神在自己選擇的道路上堅(jiān)持走下去！在這次設(shè)計(jì)過程中，表達(dá)出自己?jiǎn)为?dú)設(shè)計(jì)的能力以及綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，體會(huì)了學(xué)以致用。并且從設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)自己平時(shí)學(xué)習(xí)的缺乏和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補(bǔ)。時(shí)，這次模擬電子課程設(shè)計(jì)也讓我認(rèn)識(shí)到以前所學(xué)知識(shí)的不深入，根基不夠扎實(shí)，以致于這次在設(shè)計(jì)電路圖的時(shí)候，需要重復(fù)翻閱課本的知識(shí)。我深深知道了知識(shí)連貫運(yùn)用的重要性?！?〕參考書目：1、童詩(shī)白、華成英，《模擬電子技術(shù)根基》2、吳慎山，《電子技術(shù)根基實(shí)驗(yàn)》3、周譽(yù)昌、蔣力立，《電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)》4、廣東工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)部，《Multisim電路與電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)》〔8〕元件清單元件類型元件序號(hào)元件型號(hào)數(shù)量集成運(yùn)放U1A、U2B、U3A、U4BTL082CD2穩(wěn)壓管D1D21N4742A2二極管