方波 三角波 正弦波發(fā)生器模電設(shè)計(jì)

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目 方波、三角波、正弦波信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 課 程 名 稱 模擬電子技術(shù)課程設(shè)計(jì) 院 部 名 稱 機(jī)電工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 13電氣單 學(xué) 生 姓 名 王康健 學(xué) 號(hào) 1304201017 課程設(shè)計(jì)地點(diǎn) C105 課程設(shè)計(jì)學(xué)時(shí) 1周 指 導(dǎo) 教 師 趙國(guó)樹(shù) 金陵科技學(xué)院教務(wù)處制目錄1、緒論31.1相關(guān)背景知識(shí)31.2課程設(shè)計(jì)目的 31.3課程設(shè)計(jì)的任務(wù)41.4課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)42、信號(hào)發(fā)生器的基本原理5 2.1原理框圖5 2.2總體設(shè)計(jì)思路53、各組成部分的工作原理6 3.1方波產(chǎn)生電路6 3.1.1方波產(chǎn)生電路圖6 3.1.2方波產(chǎn)生電路的原理6 3.

2、1.3方波電路參數(shù)的計(jì)算6 3.2方波到三角波的轉(zhuǎn)換電路7 3.2.1方波到三角波轉(zhuǎn)換電路圖7 3.2.2方波到三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理7 3.2.3方波到三角波轉(zhuǎn)換電路參數(shù)的計(jì)算7 3.3三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換電路8 3.3.1三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路圖8 3.3.2三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理8 3.3.3三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路參數(shù)計(jì)算84、電路仿真結(jié)果9 4.1方波產(chǎn)生電路的仿真結(jié)果94.2三角波轉(zhuǎn)換電路的仿真結(jié)果9 4.3正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真結(jié)果9 5、設(shè)計(jì)結(jié)果分析與總結(jié)12 主要參考文獻(xiàn)121. 緒論凡是產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)的儀器，統(tǒng)稱為信號(hào)源。也稱為信號(hào)發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測(cè)電路所需特定參

3、數(shù)的電測(cè)試信號(hào)。在測(cè)試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測(cè)設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。正弦信號(hào)使使用最廣泛的測(cè)試信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器能產(chǎn)生多種波形，能三角波、鋸齒波、方波、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。1.1相關(guān)背景知識(shí)信號(hào)發(fā)生器也稱信號(hào)源，是用來(lái)產(chǎn)生振蕩信號(hào)的一種儀器，為使用者提供需要的穩(wěn)定、可信的參考信號(hào)，并且特征參數(shù)完全可控。所謂可控信號(hào)特征，主要是指輸出信號(hào)的頻率

4、、幅度、波形、占空比、調(diào)制形式等參數(shù)都可以人為地控制設(shè)定。隨著科技的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用到的信號(hào)形式越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，頻率也越來(lái)越高，所以信號(hào)發(fā)生器的種類也越來(lái)越多，同時(shí)信號(hào)發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)形式也不斷向著智能化、軟件化、可編程化發(fā)展。由于信號(hào)源信號(hào)的特征參數(shù)均可人為設(shè)定，所以可以方便的模擬各種情況下不同特性的信號(hào)，對(duì)于產(chǎn)品研發(fā)和電路實(shí)驗(yàn)特別有用。信號(hào)發(fā)生器技術(shù)發(fā)展至今，引導(dǎo)技術(shù)潮流的仍是國(guó)外的幾大儀器公司，如日本橫流、Agilent、Tektronix等。美國(guó)的FLUKE公司的FLUKE-25型函數(shù)發(fā)生器是現(xiàn)有的測(cè)試儀器中最具有多樣性功能的幾種儀器之一，它和頻率計(jì)數(shù)器組合在一起，在任何條件下都可

5、以給出很高的波形質(zhì)量，能給出低失真的正弦波和三角波，還能給出過(guò)沖很小的快沿方波，其最高頻率可以達(dá)到5MHz，最大輸出幅度也達(dá)到10Vpp。國(guó)內(nèi)信號(hào)發(fā)生器起步晚，但是發(fā)展至今，已經(jīng)漸漸跟上國(guó)際的腳步，能夠利用高新技術(shù)開(kāi)發(fā)出達(dá)到國(guó)際水平的高性能多功能信號(hào)發(fā)生器。1.2課程設(shè)計(jì)目的通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目的是：提高學(xué)生在模擬集成電路應(yīng)用方面的技能，樹(shù)立嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)生通過(guò)電路設(shè)計(jì)初步掌握工程設(shè)計(jì)方法，逐步熟悉開(kāi)展科學(xué)實(shí)踐的程序和方法，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和今后從事的實(shí)際工作打下必要的基礎(chǔ)。1.3課程設(shè)計(jì)的任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)方波、三角波、正弦波函數(shù)發(fā)生器；能同

6、時(shí)輸出一定頻率一定幅度的三種波形：正弦波、方波和三角波；用5V電源供電；1.4課程設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)輸出波形：正弦波、方波、三角波；頻率范圍在10Hz-10000Hz范圍內(nèi)可調(diào)； 比較器用LM339,運(yùn)算放大器用LM324，雙向穩(wěn)壓管用兩個(gè)穩(wěn)壓管代替。2. 信號(hào)發(fā)生器的基本原理2.1原理框圖2.2信號(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途，可以用于生產(chǎn)測(cè)試、儀器維修和實(shí)驗(yàn)室，還廣泛使用在其它科技領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、教育、化學(xué)、通訊、地球物理學(xué)、工業(yè)控制、軍事和宇航等。它

7、是一種不可缺少的通用信號(hào)源。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)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波三角波正弦波信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。本課題中信號(hào)發(fā)生器電路組成框圖如下所示：由比較器和積分器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路同樣由積分環(huán)節(jié)來(lái)完成。電壓比較器實(shí)現(xiàn)方波的發(fā)生，方波通過(guò)積分環(huán)節(jié)可以將方波變換成三角波，同樣將三角波通過(guò)積分環(huán)節(jié)可將三角波變換成正弦波。 三角波 正弦波 方波 信號(hào)發(fā)生器電路組成框圖3. 各組成部分的工作原理3.1.1方波產(chǎn)生電路圖3.1.2方波產(chǎn)生電路的工作原理此電路由反相輸入的滯回比較器和RC

8、電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)

9、程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。調(diào)節(jié)R8可以調(diào)節(jié)頻率幅度3.1.3 方波電路電路參數(shù)的計(jì)算U-=UcU+= (R3/ (R3+R4+Rp2) (+Uz)Ut = (R3/ (R3+R4+Rp2) (+Uz)Uc (t) =Uc (oo) + Uc (0)-Uc (oo) e -t/Ut+=Uz+ Ut_-Uz T=2/ln (1+2R3/（R4+Rp2)3.2.1方波到三角波轉(zhuǎn)換電路圖 3.2.2方波到三角轉(zhuǎn)換電路的工作原理若a點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、R8組成電壓比較器，C2為加速電容，可加速比較器的翻轉(zhuǎn)。運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱

10、為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器,其輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出為Uo2。a點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。調(diào)節(jié)R9可以調(diào)節(jié)頻率幅度3.2.3方波到三角波轉(zhuǎn)換電路參數(shù)的計(jì)算設(shè)Uo1=+Vcc,則 將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為 若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位

11、Uia+為 比較器的門限寬度由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖3-71所示。a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為時(shí)，時(shí)，可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關(guān)系下圖所示。a點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為方波-三角波的頻率f為3.3三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換電路3.3.1三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路圖3.3.2三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理將三角波變成正弦波是經(jīng)過(guò)一個(gè)非線性的變換網(wǎng)絡(luò)（正弦波變換器）而得以實(shí)現(xiàn)，在這個(gè)非線性網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)三角

12、波點(diǎn)位向兩端頂點(diǎn)擺動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)提供的電流同路阻抗會(huì)變小，這樣就使三角波的兩端變?yōu)槠交恼也ㄝ敵?。調(diào)節(jié)R12可以調(diào)節(jié)頻率幅度3.3.3三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路參數(shù)計(jì)算比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。得即取 ，則，取 ，RP1為47K的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻由式（3-62）即當(dāng)時(shí)，取，則，取，為100K電位器。當(dāng)時(shí) ，取以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。三角波正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：根據(jù)不同頻率段的輸入的三角波變更換第二個(gè)積分環(huán)節(jié)的電容大小，根據(jù)需要控制反向放大器的放大倍數(shù)以得到符合要求的幅值。4. 電路仿真結(jié)果4.1 方波產(chǎn)生電路的仿真結(jié)果4.2 方波到三角轉(zhuǎn)換電

13、路的仿真結(jié)果4.3 三角波到正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真結(jié)果5 設(shè)計(jì)結(jié)果分析與總結(jié)通過(guò)對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，我還深刻認(rèn)識(shí)到了“理論聯(lián)系實(shí)際”的這句話的重要性與真實(shí)性。而且通過(guò)對(duì)此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識(shí)，而且也鞏固了以前知道的知識(shí)。最重要的是在實(shí)踐中理解了書(shū)本上的知識(shí)，明白了學(xué)以致用的真諦。也明白老師要求我們做好這個(gè)課程設(shè)計(jì)的原因。他是為了教會(huì)我們?nèi)绾芜\(yùn)用所學(xué)的知識(shí)去解決實(shí)際的問(wèn)題，提高我們的動(dòng)手能力。在整個(gè)設(shè)計(jì)到電路的焊接以及調(diào)試過(guò)程中，我個(gè)人感覺(jué)調(diào)試部分是最難的，因?yàn)槟憷碚撚?jì)算的值在實(shí)際當(dāng)中并不一定是最佳參數(shù)，我們必須通過(guò)觀察效果來(lái)改變參數(shù)的數(shù)值以期達(dá)到最好。本次實(shí)驗(yàn)采用集成運(yùn)算放大器LM324來(lái)產(chǎn)生方波，三角波，正弦波，綜合運(yùn)用了遲滯比較器，積分器，二階有源低通濾波電路，既讓理論聯(lián)系上了實(shí)際，又鍛煉了我們的動(dòng)手能力。 參考文獻(xiàn)李萬(wàn)