波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)</b></p><p>　　課程名稱(chēng)： 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目： 波形發(fā)生器的設(shè)計(jì) </p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　一 設(shè)計(jì)要求-----------------

2、---------------------------2</p><p>　　二 設(shè)計(jì)的作用與目的--------------------------------2</p><p>　　三 波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)--------------------------------2</p><p>　　1 波形發(fā)生器的系統(tǒng)概述---------------------

3、----- 2</p><p>　　2 方波發(fā)生電路的原理與分析-------------------- 3</p><p>　　3 三角波發(fā)生電路的原理與分析----------------- 5</p><p>　　4 正弦波發(fā)生電路的原理與分析----------------- 6</p><p>　　5 參數(shù)的選擇與計(jì)算-------

4、------------------------- 8</p><p>　　6 仿真與結(jié)果分析----------------------------------- 9</p><p>　　7 PCB版電路制作-----------------------------------13</p><p>　　四 心得體會(huì)------------------------

5、--------------------15</p><p>　　五　附錄--------------------------------------------------16</p><p>　　六 參考文獻(xiàn)---------------------------------------------17</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求</b&

6、gt;</p><p>　　設(shè)計(jì)一臺(tái)波形信號(hào)發(fā)生器，具體要求如下：</p><p>　　輸出波形：方波、三角波、正弦波；</p><p>　　頻率范圍：1Hz——10Hz，10Hz——100Hz，100Hz——1KHz，1KHz——10KHz；</p><p>　　頻率控制方式：通過(guò)改變RC時(shí)間常數(shù)手控信號(hào)頻率；</p><

7、;p>　　輸出電壓：方波Vp-p≤24V，三角波Vp-p=8V，正弦波Vp-p＞1V。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的作用、目的</b></p><p>　　1、掌握用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成正弦波、方波、三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　2、學(xué)會(huì)安裝與調(diào)試由分立元件與集成電路成的多級(jí)電子電路小系統(tǒng)。</p>

8、<p><b>　　設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　1、波形發(fā)生器的系統(tǒng)概述</p><p><b>　?。?）方案的簡(jiǎn)述</b></p><p>　　波形發(fā)生器是指能夠輸出方波、三角波、正弦波等多種電壓波形的信號(hào)源。它可采用不同的電路形式和元器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體可采用運(yùn)算放大器和分立元件構(gòu)成，也可用單片

9、專(zhuān)用集成芯片設(shè)計(jì)。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)的目的要求，需要用集成運(yùn)算放大器構(gòu)成波形發(fā)生器，故此處不考慮單片專(zhuān)用集成芯片設(shè)計(jì)。采用運(yùn)算放大器和分立元件構(gòu)成，有以下兩種方案：</p><p>　　方案一：用正弦波振蕩器實(shí)現(xiàn)多種波形發(fā)生器。</p><p>　　首先用正弦波振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出，正弦波信號(hào)通過(guò)比較器得到方波輸出，方波信號(hào)再通過(guò)積分器得到三角波輸出。該

10、方案用RC串并聯(lián)振蕩器產(chǎn)生正弦波，串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)做為選頻網(wǎng)絡(luò)和正反饋網(wǎng)絡(luò)。它的振動(dòng)頻率為f=1／2πRC，改變RC值，則可改變正弦波的輸出頻率。為了使輸出電壓穩(wěn)定，必須采用穩(wěn)幅的措施。</p><p><b>　　其系統(tǒng)框圖如圖1。</b></p><p>　　圖1 方案一的系統(tǒng)框圖</p><p>　　方案二：用多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)多種波形發(fā)生器。

11、</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，再將三角波變換為正弦波。三角波——正弦波轉(zhuǎn)換可用濾波法、折線逼近法、差分放大器等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　考慮到差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)，能有效地抑制零點(diǎn)漂移，可將頻率很低的三角波變換成正弦波。因此采用差分放大器將三角波轉(zhuǎn)換成

12、正弦波。</p><p><b>　　其系統(tǒng)框圖如圖2。</b></p><p>　　圖2 方案二的系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　（2）方案的選擇</b></p><p>　　綜合比較這兩種方案，方案（1）中頻率的頻段的選擇和調(diào)節(jié)，需同時(shí)改變正弦波振蕩電路和積分電路中的電阻和電容，調(diào)整

13、復(fù)雜。方案（2）中變換為正弦波時(shí)，正弦波非線性失真較大，對(duì)差動(dòng)放大電路要求較高。由于本課程設(shè)計(jì)對(duì)正弦波非線性失真沒(méi)有具體要求，而對(duì)輸出波頻率要求較高，故選用方案（2）。</p><p>　　2、方波發(fā)生電路的原理與分析</p><p>　　此電路可在矩形波發(fā)生電路的基礎(chǔ)上得到。矩形波發(fā)生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(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸

14、出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。由于滯回比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平和低電平。兩種不同的輸出電平時(shí)RC電路進(jìn)行充電或放電，于是電容上的電壓將升高或降低，而電容上的電壓由作為滯回比較器的輸入電壓控制其輸出端狀態(tài)發(fā)生跳變，從而使RC電路有充電過(guò)程變?yōu)榉劈c(diǎn)過(guò)程或相反。如此循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。

15、 </p><p>　　方波發(fā)生電路中運(yùn)算放大器接成同相輸入滯回比較器形式，由這一端口反饋引入三角波信號(hào)，觸發(fā)滯回比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波信號(hào)，方波信號(hào)從運(yùn)算放放大器輸出端輸出。其電路如圖3所示。</p><p>　　圖3 方波發(fā)生電路原理圖</p><p>　　如圖3，運(yùn)算發(fā)大器U1與R1、R2及R3、RP1組成電

16、壓比較器，由A端接入三角波信號(hào)，運(yùn)放U1接成同相輸入滯回比較器形式，觸發(fā)滯回比較器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)形成方波信號(hào)，方波信號(hào)從B端輸出。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(chēng)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。設(shè)Uo1

17、=+Vcc,則： </p><p><b>　　(1) </b></p><p>　　將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門(mén)限單位Uia-為：</p><p><b>　?。?）</b></p>&

18、lt;p>　　若Uo1=-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門(mén)限電位Uia+為</p><p><b>　?。?） </b></p><p>　　比較器的門(mén)限寬度： （4）</p><p>　　穩(wěn)壓管D1、D2對(duì)接，起到正負(fù)向輸出的雙向限幅作用。</p><p>　　3、三角波發(fā)生電路的原理與分析</p>

19、<p>　　在產(chǎn)生方波之后，利用此波形輸入到一個(gè)積分電路便可得到三角波。由于三角波發(fā)生信號(hào)是電容充放電過(guò)程形成的指數(shù)曲線，所以線性度較差。為了能夠得到線性度更好的三角波，可以將運(yùn)和幾個(gè)電阻、電容構(gòu)成積分電路。</p><p>　　考慮到課程設(shè)計(jì)要求的四個(gè)頻率段，故選用四分開(kāi)關(guān)來(lái)調(diào)節(jié)電容。其電路如圖4：</p><p>　　圖4 三角波發(fā)生電路原理圖</p>

20、<p>　　時(shí)， （5）</p><p>　　時(shí)， （6）</p><p>　　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。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：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　

21、　方波-三角波的頻率f為： （8）</p><p>　　4、正弦波發(fā)生電路的原理與分析</p><p><b>　　其電路原理如圖5：</b></p><p>　　圖5 正弦波發(fā)生電路原理圖</p><p>　　在三角波產(chǎn)生電路的積分電路中,有C端輸入三角波，由D端輸出正弦波。如圖，RP3調(diào)節(jié)

22、三角波的幅度，RP4調(diào)節(jié)差分放大電路的對(duì)稱(chēng)性，其并聯(lián)R9用來(lái)減小差分放大電路的線性區(qū)，電容C5，C6，C8為隔直電容由于輸出頻率較低，所以其容量一般較大。C7為濾波電容，以消除諧波分量，改善輸出波形，差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸型曲線，調(diào)整RP4和電阻R8確定。</p><p>　　差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的

23、三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為： （9）</p><p><b>　　式中　　</b></p><p>　　——差分放大器的恒定電流；</p><p>　　——溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為25oc時(shí)，UT≈26mV。</p><

24、;p>　　如果Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為</p><p><b>　?。?0）</b></p><p>　　式中　　Um——三角波的幅度；</p><p>　　T——三角波的周期。</p><p>　　為使輸出波形更接近正弦波，傳輸特性曲線越對(duì)稱(chēng)，線性區(qū)越窄越好；三角波的幅度Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。&

25、lt;/p><p>　　5、參數(shù)的選擇與計(jì)算</p><p>　?。?）方波發(fā)生電路的參數(shù)選擇與計(jì)算</p><p>　　由課題要求方波Vp-p≤24V。而方波的輸出幅度約為Vcc,所以Vcc=Vp-p∕2≤12V，選用Vcc=12V符合要求。</p><p>　　根據(jù)式（7）可得： （11）</p><p

26、>　　由課題要求三角波Vp-p=8V，故：</p><p><b>　?。?2）</b></p><p>　　取，則，取 ，RP1為20KΩ的滑動(dòng)變阻器。</p><p>　　R1=R2／(R3+Rp1)=7.5KΩ。</p><p>　　因?yàn)檩敵龇讲ǚ濉逯礦P-P≤24V，故取兩個(gè)IN4743穩(wěn)壓管，起到正反向

27、輸出的雙向限副作用。</p><p>　　通過(guò)查集成運(yùn)放器件資料，選用雙電源供電通用性單運(yùn)放uA741，它具有功耗低，高性能內(nèi)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，且價(jià)格便宜，在分立元件集成電路中較為常見(jiàn)。</p><p>　　（2）三角波發(fā)生電路的參數(shù)選擇與計(jì)算</p><p>　　由式（8）得：R4+Rp2=（R3+Rp1）／4fCR2 （13）</p>&l

28、t;p>　　當(dāng) 時(shí)，取，， 取R4=7.5KΩ，則RP2為100KΩ滑動(dòng)變阻器。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。故C1、C2、C3、C4依次取10uF、1uF、0.1uF、0.01uF。</p><p>　　取平衡電阻R5=15 KΩ。</p><p>　?。?）正弦波生成電路的參數(shù)選擇與計(jì)算</p><p>　　將三角波型號(hào)轉(zhuǎn)化為正弦

29、波信號(hào)，傳輸特性曲線越對(duì)稱(chēng)，線性區(qū)越好三角波的幅值Upp應(yīng)正好是晶體管結(jié)晶飽和區(qū)和截止區(qū)。差分放大電路的4只晶體管選用晶體管2N3020，電路中晶體管放大倍數(shù)β1=β2=β3=β4=60，電源電壓取+Vcc=12V，-Vcc=-12V。</p><p>　　R9=100歐與RP4=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R8確定。</p>

30、;<p>　　隔直電容C5、C6、C8要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取C5=C6=C8=470 uF。</p><p>　　濾波電容C6視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，C6可取得較小，C6一般為幾十皮法至0.1微法。這里取C6=0.1μF。</p><p><b>　　6、仿真與結(jié)果分析</b></p><p>　　本課程

31、設(shè)計(jì)應(yīng)用Multisim10.0軟件對(duì)電路進(jìn)行了仿真；并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。</p><p>　　方波——三角波仿真結(jié)果與分析</p><p>　　由于方波與三角波是相互轉(zhuǎn)換的，所以將二者合起來(lái)連線仿</p><p>　　真，其仿真電路如圖6。為便于分析結(jié)果，將Rp2調(diào)至0℅，示波器顯示如圖7。</p><p>　　圖6 方波——三角波電路

32、仿真電路圖 </p><p>　　圖7 方波仿真波形圖</p><p>　　圖8 三角波仿真波形圖</p><p><b>　　結(jié)果分析如下：</b></p><p>　?、俨ㄐ畏治觯河^察波形，生成了方波和正弦波，且無(wú)明顯失真，波形符合要求。</p><p>　?、诜捣治觯河墒静ㄆ髯x數(shù)可知

33、：</p><p>　　方波Vp-p=22.233V≤24V，符合題設(shè)要求；</p><p>　　三角波Vp-p=7.341V≈8V，大致符合要求?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)Rp1，來(lái)改變Vp-p，使其更接近8V。</p><p>　　③頻率分析：此次仿真中，單刀四擲開(kāi)關(guān)S1擲于10uF處，Rp2調(diào)至0℅，即R4+Rp2=7.5 KΩ。由式（8）計(jì)算得：f=10 Hz；</

34、p><p>　　由示波器可讀的T／2=50.642 ms，即f=9.9Hz≈10 Hz。二者基本相等，說(shuō)明頻率與理論計(jì)算大致相同，符合。</p><p>　?。?）正弦波仿真結(jié)果與分析</p><p>　　用所計(jì)算和選擇的參數(shù)連接正弦波發(fā)生電路圖9，得到仿真結(jié)果如圖10。</p><p>　　圖9 正弦波仿真電路圖</p>&

35、lt;p>　　圖10 正弦波發(fā)生電路仿真波形圖</p><p>　　結(jié)果分析：觀察可知，波形為正弦波，符合要求。由示波器窗口可讀到Vp-p=6.360V＞1V，也符合課題要求。</p><p><b>　?。?）整體仿真結(jié)果</b></p><p>　　整體電路見(jiàn)附錄二，其仿真結(jié)果如圖11。</p><p>　　

36、圖11 整體電路仿真結(jié)果</p><p>　　7、PCB版電路制作</p><p>　　制作的操作流程圖如圖12：</p><p>　　圖12 PCB版流程圖</p><p>　　a. 據(jù)原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表，這部分PROTEL99是自動(dòng)進(jìn)行的，只需要用戶(hù)單擊“create Netlist”即可；</p><p>

37、;　　b. 網(wǎng)絡(luò)表有也是原理圖與印制電路板的接口；</p><p>　　c. 規(guī)劃電路板的結(jié)構(gòu)，即確定電路板的框架，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)；</p><p>　　d. 引入第二步生成的網(wǎng)絡(luò)表和零件封裝，讓原理圖與印制電路板連接起來(lái)；</p><p>　　e. 引入網(wǎng)絡(luò)表后系統(tǒng)將根據(jù)規(guī)則對(duì)零件自動(dòng)布局進(jìn)行飛線；</p><p>　　f. 修改封裝與布局，

38、這是自動(dòng)布線的前提；</p><p>　　g. Protel 99 SE自動(dòng)布線比較完善，它采用最先進(jìn)的無(wú)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?；谛螤畹膶?duì)角線自動(dòng)布線技術(shù)；</p><p>　　h. 自動(dòng)布線后，如果有不滿(mǎn)的地方，我們可以進(jìn)行手工調(diào)整；</p><p><b>　　i. 存盤(pán)并打??；</b></p><p><b>　　

39、j. 結(jié)束。</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)電路原理圖,并完成原理圖的繪制，得到PCB版如圖13。</p><p>　　圖13 PCB版</p><p><b>　　心得與體會(huì)</b></p><p>　　經(jīng)過(guò)這段時(shí)間精心準(zhǔn)備和細(xì)心調(diào)試，十幾天的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了

40、很多知識(shí)。</p><p>　　首先，為了能夠很好的完成我們?cè)O(shè)計(jì)的課程，我在認(rèn)真閱讀教材關(guān)于此方面的知識(shí)外，查閱了很多有關(guān)波形發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)書(shū)籍。讓我體會(huì)最多的就是我們?cè)谒鶎W(xué)教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，在實(shí)踐過(guò)程中得到了更好體現(xiàn)和知識(shí)的運(yùn)用，使理論聯(lián)系實(shí)際得到了更好的結(jié)合，使我的動(dòng)手能力和思維邏輯能力又上升到了一個(gè)新的臺(tái)階。</p><p>　　然后是在調(diào)試參數(shù)過(guò)程中，我對(duì)電子器件的命名規(guī)則有了較

41、為初步的認(rèn)識(shí)。我們查閱了有關(guān)的書(shū)籍并仔細(xì)分析每個(gè)元件參數(shù)對(duì)總體電路的影響，培養(yǎng)了我們面對(duì)浩瀚工作量的永不放棄的執(zhí)著心理。這對(duì)于以后實(shí)際工作中面對(duì)困難的態(tài)度會(huì)有一定積極的影響。</p><p>　　而且為了能夠進(jìn)行計(jì)算機(jī)原理圖仿真、制作印刷電路板，我們還在老師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)了Mutisim10.0和Protel99SE等軟件，這些軟件十分有用。</p><p>　　在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，雖然碰到和很

42、多困難和阻礙，但我始終堅(jiān)信只要有堅(jiān)定不移的信念，什么困難和挫折將灰飛煙滅。</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附錄一 元件明細(xì)表 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　謝云等·現(xiàn)代電子技術(shù)實(shí)踐課程指導(dǎo)

43、83;北京：機(jī)械工業(yè)出版社·2003年</p><p>　　賈更新·電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì)·西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社·2010年</p><p>　　趙家貴·電子電路設(shè)計(jì)·北京：中國(guó)計(jì)量出版社·2005年</p><p>　　梅開(kāi)香等·電子電路實(shí)驗(yàn)·北京：北京理工大學(xué)出版社&#