正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電路

模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)課題：設(shè)計(jì)正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電路，滿足以下要求：(1)正弦波-方波-三角波的頻率在100HZ~20KHZ范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；(2)正弦波-方波的輸出信號幅值為6V，三角波輸出信號幅值為0~2V連續(xù)可調(diào)；(3)正弦波失真度≦5%二、課程設(shè)計(jì)目的：〔1〕穩(wěn)固所學(xué)的相關(guān)理論知識；〔2〕實(shí)踐所掌握的電子制作技能；〔3〕會(huì)運(yùn)用EDA工具對所作出的理論設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬仿真測試,進(jìn)一步完善理論設(shè)計(jì)；〔4〕通過查閱手冊和文獻(xiàn)資料,熟悉常用電子器件的類型和特性,并掌握合理選用元器件的原那么；〔5〕學(xué)會(huì)撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告；〔6〕培養(yǎng)實(shí)事求是,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和嚴(yán)肅的工作作風(fēng)。.三、電路方案與系統(tǒng)、參數(shù)設(shè)計(jì)〔1〕電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能框圖設(shè)計(jì)要求為實(shí)現(xiàn)正弦波-方波-三角波之間的轉(zhuǎn)換。正弦波可以通過文氏橋RC振蕩電路產(chǎn)生。正弦波通過滯回比擬器可以轉(zhuǎn)換成方波，方波通過一個(gè)積分電路可以轉(zhuǎn)換成三角波，三角波的幅值要求可調(diào)。各個(gè)芯片的電源可用±12V直流電源提供。〔2〕單元電路設(shè)計(jì)1.正弦波發(fā)生器實(shí)驗(yàn)原理常見的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)在此作為選頻和反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。1.1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應(yīng)，并創(chuàng)造條件，使其產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩。正弦波產(chǎn)生電路的根本結(jié)構(gòu)是：引入正反應(yīng)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和放大電路。接入正反應(yīng)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。1.2振蕩頻率與起振條件1〕振蕩頻率:2〕起振條件:當(dāng)f=f0時(shí)，由振蕩條件知：,所以起振條件為：同相比例運(yùn)放的電壓放大倍數(shù)為：,即要1.3正弦波產(chǎn)生電路一般包括：放大電路、反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)、選頻網(wǎng)絡(luò)、穩(wěn)幅電路個(gè)局部。放大電路：保證電路能夠有從起振到動(dòng)態(tài)平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實(shí)現(xiàn)自由控制。RC串并聯(lián)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。正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)：引入正反應(yīng)，使放大電路的輸入信號等于其反應(yīng)信號。穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié)，作用是輸出信號幅值穩(wěn)定。在回路中串聯(lián)二個(gè)并聯(lián)的1BH62二極管可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅，參加二極管是通過改變運(yùn)放的放大倍數(shù)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)幅的。運(yùn)放的輸出電壓超過一定幅值時(shí)，此時(shí)用比例運(yùn)放倍數(shù)會(huì)減小，輸出電壓下降。從而到達(dá)電壓穩(wěn)幅的目的。1.4正弦波發(fā)生器仿真電路圖2.正弦波—方波轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)原理2.1電路組成：如圖1電壓比擬器電路中雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，R3起限流作用，R2和R1構(gòu)成正反應(yīng)，運(yùn)算放大器當(dāng)時(shí)工作在正飽和區(qū)，而當(dāng)時(shí)工作在負(fù)飽和區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入電壓Ui小于某一負(fù)值電壓時(shí)，輸出電壓Uo=-Uz；當(dāng)輸入電壓Ui大于某一電壓時(shí)，Uo=+Uz。又由于“虛斷”、“虛短”,由此可確定出翻轉(zhuǎn)時(shí)的輸入電壓。Up用Ui和Uo表示，有得此時(shí)的輸入電壓Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比擬器的直流傳遞特性如圖2所示。設(shè)輸入電壓初始值小于-Uth，此時(shí)Uo=-Uz；增大Ui，當(dāng)Ui=Uth時(shí)，運(yùn)放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入正飽和區(qū)。如果初始時(shí)刻運(yùn)放工作在正飽和區(qū)，減小Ui，當(dāng)Ui=-Uth時(shí)，運(yùn)放那么開始進(jìn)入負(fù)飽和區(qū)。圖1電壓比擬器電路圖2滯回電壓比擬器的直流傳遞特性2.2正弦波—方波轉(zhuǎn)換仿真電路圖3.方波—三角波轉(zhuǎn)換器實(shí)驗(yàn)原理3.1積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路如上圖，由于“虛地”， U-=0, 故：Uo=-Uc由于“虛斷”，iI=ic,故：Ui=iIR=icR得τ=RC〔積分時(shí)間常數(shù)〕由上式可知，利用積分電路可以實(shí)現(xiàn)方波——三角波的波形變換。3.2方波—三角波轉(zhuǎn)換仿真電路圖〔3〕元器件與參數(shù)設(shè)計(jì)：LM324內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用,也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合等。RC正弦波振蕩電路的參數(shù)設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸出波形頻率范圍為100Hz~20kHz且連續(xù)可調(diào)，正弦波幅值為±6V，根據(jù)，取C=10nf,解之可得，R的取值范圍0.796K~159.15K，因此RC選頻網(wǎng)絡(luò)用兩個(gè)600Ω的固定電阻R2、R11，兩個(gè)158K電位器R1、R12和兩個(gè)10nf的電容C1、C2組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。對于電壓幅值6V，可以通過1.645K的電阻R3和1K的電阻R4調(diào)節(jié)而得到。在回路中串聯(lián)二個(gè)并聯(lián)的1BH62二極管可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)幅。方波電路的參數(shù)設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求方波幅值為6V，選擇的穩(wěn)壓二極管可選用穩(wěn)壓管IN5759A，其穩(wěn)壓電壓為，另加一阻值為4.5K的R7用于限流，兩個(gè)10K電阻R5、R6構(gòu)成正反應(yīng)，選擇的穩(wěn)壓二極管可選用穩(wěn)壓管IN5759A。三角波電路的參數(shù)設(shè)計(jì) 由于是方波—三角波轉(zhuǎn)換電路，因此在第三個(gè)LM324AD的輸出端加上個(gè)限流阻R8=10K,根據(jù)設(shè)計(jì)要求三角波的峰—峰值為2V，根據(jù)，取R8為10K的電阻，R10為20K的電位器，積分電路中C3=0.065uf,補(bǔ)償電阻R9可選取10K，以保證集成運(yùn)放輸入級差分放大電路的對稱性?！?〕總電路圖與器材清單表元件類型元件序號主要參數(shù)數(shù)量運(yùn)算放大器LM324電壓增益高約100dB3電容C1,C2,C310nf,10nf,0.065uf3電位器R1，R12R10158K20K21固定電阻R2,R11R3,R4,R7R5,R6,R8,R9600Ω1.645K,1K,4.5K10K234二極管1BH62/2穩(wěn)壓管IN5759A穩(wěn)壓電壓為1〔5〕總電路仿真結(jié)果四、設(shè)計(jì)總結(jié)〔1〕設(shè)計(jì)過程中所遇問題〔已解決〕1.1理論計(jì)算所得的R、C值無法達(dá)成所要求的頻率條件根據(jù)理論計(jì)算，取C=10nf,可得R的取值范圍0.796K~159.15K，可使正弦波頻率從100HZ至20KHZ連續(xù)可調(diào)，而實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)過調(diào)試，RC選頻網(wǎng)絡(luò)選用兩個(gè)600Ω的固定電阻R2、R11，兩個(gè)158K電位器R1、R12和兩個(gè)10nf的電容C1、C2組成串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使頻率從99.6HZ~20.4KHZ可調(diào)，到達(dá)設(shè)計(jì)要求。1.2正弦波幅值條件無法到達(dá)根據(jù)起振條件，開始所設(shè)計(jì)電路中，R3>2R4，無法到達(dá)所要求的幅值條件，經(jīng)分析討論，起振條件中的RF應(yīng)包括R3及二極管阻值，經(jīng)反復(fù)調(diào)試得到R3=1.645KΩ，使正弦波幅值為6V〔P—P值約為12V〕?！?〕設(shè)計(jì)過程中所遇問題〔未解決〕2.1正弦波20KHZ時(shí)幅值不達(dá)標(biāo)根據(jù)理論計(jì)算及調(diào)試，使正弦波幅值為6V，但當(dāng)正弦波頻率升至20KHZ時(shí)，其幅值顯著減小，經(jīng)反復(fù)調(diào)試仍未解決。2.2方波、三角波高頻時(shí)失真嚴(yán)重高頻時(shí)方波波形近似三角波，而三角波波形無規(guī)律，兩者均失真現(xiàn)象嚴(yán)重。2.3不同頻率三角波幅值