模擬電路課程設計--方波、三角波發(fā)生器設計

1、<p>　　《模擬電路》課程設計報告</p><p>　　課題名稱： 方波、三角波發(fā)生器設計 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一、設計任務與要求2</p><p><b>　　二、方案設計3</b></p><p>

2、;　　三、各部分電路設計4</p><p><b>　　四、總原理圖9</b></p><p>　　五、安裝與調(diào)試10</p><p>　　六、電路的實驗結果12</p><p><b>　　七、實驗心得13</b></p><p><b>　　八、參考文

3、獻13</b></p><p><b>　　一、設計任務與要求</b></p><p><b>　　1.1.設計目的</b></p><p>　　1．掌握電子系統(tǒng)的一般設計方法</p><p>　　2．掌握模擬IC器件的應用</p><p>　　3．培養(yǎng)綜合應用

4、所學知識來指導實踐的能力</p><p>　　4．掌握常用元器件的識別和測試</p><p>　　5．熟悉常用儀表，了解電路調(diào)試的基本方法</p><p><b>　　1.2.設計任務</b></p><p>　　運算放大器設計方波、三角波函數(shù)信號發(fā)生器</p><p>　　1.3.課程設計的要求

5、及技術指標</p><p>　　1．設計、組裝、調(diào)試函數(shù)發(fā)生器</p><p>　　2．輸出波形：方波、三角波；</p><p>　　3．頻率范圍 ：在10－10000Hz范圍內(nèi)可調(diào) ；</p><p>　　4．輸出電壓：方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝12V。</p><p><b>　　二、方案設計

6、</b></p><p><b>　　2.1. 原理框圖</b></p><p>　　本課題中函數(shù)發(fā)生器電路原理組成框圖如下所示：</p><p>　　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。</p><p>　　2.2.函數(shù)發(fā)生器的總方案</p><

7、p>　　函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 (如低頻信號函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊8038)。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調(diào)試技術，本課題采用由集成運算放大器組成的方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設計方法。</p><p>　　本課題采

8、用先產(chǎn)生方波，再將方波變換成三角波的電路設計方法。</p><p><b>　　三、各部分電路設計</b></p><p>　　3.1 方波發(fā)生電路的工作原理</p><p>　　此電路由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡，通過RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入

9、端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時間t的增長而逐漸增高，當t趨于無窮時，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Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時間逐漸增長而減低，當t趨于無窮大時，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

10、，電容又開始正相充電。上述過程周而復始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。</p><p>　　利用一階RC電路的三要素法可列出方程</p><p><b>　　即可求出振蕩周期</b></p><p><b>　　振蕩頻率。</b></p><p>　　通過以上分析可知，調(diào)整電壓比較器的電路參數(shù)R1和R2可以改

11、uc的幅值，調(diào)整R1、R2、R3、和電容C的數(shù)值可以改變電路的振蕩頻率。而要改變輸出電壓uo的振幅 ，則要換穩(wěn)壓管以改變Uz，此時uc的幅值也將隨之改變。</p><p>　　3.2 方波---三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理</p><p><b>　　工作原理如下：</b></p><p>　　將方波電壓作為積分運算電路的輸入，在其輸出就得倒三角波

12、電壓。當方波發(fā)生方式電路的輸出電壓uo1=+Uz時，積分運算電路的輸出電壓uo將線性下降；而當uo1=-Uz時，uo將線性上升；波形如上圖所示。</p><p>　　滯回比較器的輸出電壓uo1=Uz，它的輸入電壓是積分電路的輸出電壓uo，根據(jù)疊加原理，集成運放A1同相輸入端的電位</p><p><b>　　令，則閾值電壓 </b></p><p&

13、gt;　　積分電路的輸入電壓是滯回比較器的輸出電壓uo1，所以輸出電壓的表達式為</p><p>　　式中為初態(tài)時的輸出電壓。設初態(tài)時正好從躍變?yōu)椋瑒t</p><p>　　積分電路反向積分，隨時間增長線性下降，根據(jù)電壓傳輸特性，一旦有,再稍減小，將從躍變?yōu)?。?lt;/p><p>　　為產(chǎn)生躍變時的輸出電壓。積分電路正向積分，隨時間增長線性增大，根據(jù)電壓傳輸特性，一旦有

14、,再稍增大，將從躍變?yōu)椋氐匠鯌B(tài)，積分又開始反向積分。電路重復上述過程，因此產(chǎn)生自激振蕩。</p><p>　　由以上分析可知，是三角波，幅值為；是方波，幅值為，故該電路為三角波—方波發(fā)生電路。由于積分電路引入了深度負反饋，所以在負載電阻相當大的變化范圍里，三角波電壓幾乎不變。</p><p>　　根據(jù)正向積分的起始值為，終了值為，積分時間為二分之一周期，于是可得出</p>

15、<p>　　式中，經(jīng)整理可得出振蕩周期</p><p><b>　　振蕩頻率</b></p><p>　　調(diào)節(jié)電路中的R1、R2、R3的阻值和電容C的容量，可以改變振蕩頻率；而調(diào)節(jié)R1和R3的阻值，可以改變?nèi)遣ǖ姆怠?lt;/p><p>　　若a點斷開，運算發(fā)大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速比較

16、器的翻轉(zhuǎn)。運放的反相端接基準電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R1稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當比較器的U+=U-=0時，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。設Uo1=+Vcc,則

17、 </p><p>　　將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位Uia-為</p><p>　　若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為</p><p><b>　　比較器的門限寬度</b></p><p>　　由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性。</p><p>

18、　　a點斷開后，運放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo2為　</p><p><b>　　時，</b></p><p><b>　　時，</b></p><p>　　可見積分器的輸入為方波時，輸出是一個上升速度與下降速度相等的三角波，其波形關系下圖所示。</p&g

19、t;<p>　　a點閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為</p><p>　　方波-三角波的頻率f為</p><p>　　由以上兩式可以得到以下結論：</p><p>　　電位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時，不會影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用C2改變頻率的范圍，PR2實現(xiàn)頻率微

20、調(diào)。</p><p>　　方波的輸出幅度應等于電源電壓+Vcc。三角波的輸出幅度應不超過電源電壓+Vcc。</p><p>　　電位器RP1可實現(xiàn)幅度微調(diào)，但會影響方波-三角波的頻率。</p><p>　　3.4電路的參數(shù)選擇及計算</p><p>　　1.方波-三角波中電容C1變化（關鍵性變化之一）</p><p>

21、　　實物連線中，我們一開始很長時間出不來波形，后來將C2從10uf（理論時可出來波形）換成0.1uf時，順利得出波形。實際上，分析一下便知當C2=10uf時，頻率很低，不容易在實際電路中實現(xiàn)。</p><p>　　比較器A1與積分器A2的元件計算如下。</p><p><b>　　由式（3-61）得</b></p><p><b>　

22、　即</b></p><p>　　取 ，則，取 ，RP1為47KΩ的點位器。區(qū)平衡電阻</p><p><b>　　由式（3-62）</b></p><p><b>　　即</b></p><p>　　當時，取，則，取，為100KΩ電位器。當時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取

23、值不變。取平衡電阻。</p><p>　　變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得較大，因為輸出頻率很低，取，濾波電容視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，可取得較小，一般為幾十皮法至0.1微法。</p><p><b>　　四、總原理圖</b></p><p><b>　　五、安裝與調(diào)試</b><

24、/p><p>　　5.1 方波---三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試</p><p>　　1.按裝方波——三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　1. 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；</p><p>　　2. 分別把各電阻放入適當位置，尤其注意電位器的接法；</p><p>　　3. 按圖接線，注意直流源的正負及接地端。&

25、lt;/p><p>　　2.調(diào)試方波——三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　1. 接入電源后，用示波器進行雙蹤觀察；</p><p>　　2. 調(diào)節(jié)RP1，使三角波的幅值滿足指標要求；</p><p>　　3. 調(diào)節(jié)RP2，微調(diào)波形的頻率；</p><p>　　4. 觀察示波器，各指標達到要求后進行下一部按裝。</p

26、><p>　　5.2總電路的安裝與調(diào)試</p><p>　　1. 把兩部分的電路接好，進行整體測試、觀察</p><p>　　2. 針對各階段出現(xiàn)的問題，逐各排查校驗，使其滿足實驗要求。</p><p>　　5.3調(diào)試中遇到的問題及解決的方法</p><p>　　方波-三角波函數(shù)發(fā)生器電路是由兩級單元電路組成的,在裝調(diào)多級

27、電路時通常按照單元電路的先后順序分級裝調(diào)與級聯(lián)。</p><p>　　1.方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)</p><p>　　由于比較器A1與積分器A2組成正反饋閉環(huán)電路，同時輸出方波與三角波，這兩個單元電路可以同時安裝。需要注意的是，安裝電位器RP1與RP2之前，要先將其調(diào)整到設計值，如設計舉例題中，應先使RP1=10KΩ,RP2?。?.5-70）KΩ內(nèi)的任一值,否則電路可能會不起振。只要電路

28、接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，UO2的輸出為三角波，微調(diào)RP1,使三角波的輸出幅度滿足設計指標要求有，調(diào)節(jié)RP2，則輸出頻率在對應波段內(nèi)連續(xù)可變。</p><p>　　2. 性能指標測量與誤差分析</p><p>　　1）放波輸出電壓Up—p《=2Vcc是因為運放輸出極有PNP型兩種晶體組成復合互補對稱電路，輸出方波時，兩管輪流截止與飲和導通，由于導通時輸出電阻的影響，使方波輸出

29、度小于電源電壓值。</p><p>　　2）方波的上升時間T，主要受預算放大器的限制。如果輸出頻率的 限制?？山佣砑铀匐娙軨1，一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測量T .</p><p><b>　　六、電路的實驗結果</b></p><p>　　方波---三角波發(fā)生電路的實驗結果</p><p><b&

30、gt;　　實驗結果分析</b></p><p>　　6.3 實測電路波形、誤差分析及改進方法</p><p>　　將C6替換為由兩個.1uF串聯(lián)或直接拿掉, </p><p>　　C1=0.1uF U=54mv Uo=2.7v >

31、;1v</p><p>　　C1=0.01uF U=54mv Uo=2.8v>1v</p><p>　　Xc=1/W*C,當輸出波形為高頻時，若電容C6較大，則Xc很小，高頻信號完全被吞并，無法顯示出來。</p><p><b>　　七、實驗心得</b></p>

32、<p>　　課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.</p><p>　　此次模擬電路課程設計，由于以前從來沒做過課程設計，剛開始一點頭緒都沒有。后來，我通過查資料，翻閱參考書，從中學到了Multisim軟件的一些基本的應用方法。比如學會了一些基本元件的識別以及參數(shù)的選擇；學會了組裝一些基本的電路，以及簡單的

33、調(diào)試方法。</p><p>　　這個設計過程中遇到的最大難題就是，方波到三角波轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，不好控制，極難調(diào)試，我弄了很久，現(xiàn)象不大明顯。當然，方波發(fā)生器這個環(huán)節(jié)，還是很好弄的，我做的基本上可以達到要求。即就是方波頻率范圍 ：在10－10000Hz范圍內(nèi)可調(diào)；方波UＰ－Ｐ≤24V。</p><p>　　這次課程設計終于完成了。</p><p>　　回顧起此次模擬電路課程

34、設計的過程中，我仍感慨頗多，從拿到課題到定稿，從理論到實踐，在課程設計的過程中,可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。</p><p>　　通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合是很重要的。在設計兩種波形輸出的過程中遇到不少困難，同時發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固。通過這次課程設計之

35、后，又把以前所學過的知識重新溫故。</p><p><b>　　八、參考文獻</b></p><p>　　《模擬電子技術實驗》 張國恒 編 西北名族大學電氣工程學院</p><p>　　《模擬電子技術基礎》（第四版） 華成英 童詩白主 編 高等教育出版社</p><p>　　《模擬電子技術基