課程設(shè)計——波形發(fā)生器

1、<p><b>　　1.概述</b></p><p>　　波形發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學實驗等領(lǐng)域。函數(shù)信號發(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。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計一個能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。本課

2、程采用采用RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。</p><p><b>　　2．設(shè)計方案</b></p><p>　　采用RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方法。先通過RC

3、正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出，其特點是采用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)，其振蕩頻率f=1/2πRC.改變RC的值，可得到不同的頻率正弦波信號輸出。用集成運放構(gòu)成電壓比較器，將正弦波變換成方波輸出。用運放構(gòu)成積分電路，將方波信號變換成三角波。</p><p><b>　　原理框圖如圖2-1</b></p&g

4、t;<p>　　圖2-1設(shè)計方案一框圖</p><p><b>　　3. 設(shè)計原理</b></p><p>　　3.1正弦波產(chǎn)生電路</p><p>　　正弦波由RC橋式振蕩電路（如圖3-1所示），即文氏橋振蕩電路產(chǎn)生。文氏橋振蕩器具有電路簡單、易起振、頻率可調(diào)等特點而大量應用于低頻振蕩電路。正弦波振蕩電路由一個放大器和一個帶有選

5、頻功能的正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其振蕩平衡的條件是AF＝1以及ψa+ψf=2nπ。其中A為放大電路的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)。振蕩開始時，信號非常弱，為了使振蕩建立起來，應該使AF略大于1。 </p><p>　　放大電路應具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻以減少放大電路對選頻特性的影響，使振蕩頻率幾乎僅決定于選頻網(wǎng)絡(luò)，因此通常選用引入電壓串聯(lián)負反饋的放大電路。正反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電壓Uf是同相比例運算電路的輸入電壓，

6、因而要把同相比例運算電路作為整體看成電路放大電路，它的比例系數(shù)是電壓放大倍數(shù)，根據(jù)起振條件和幅值平衡條件有</p><p>　?。≧f=R2+R1//D1//D2） </p><p>　　且振蕩產(chǎn)生正弦波頻率</p><p>　　圖中D1、D2的作用是，當Vo1幅值很小時，二極管D1、D2接近開路，近似有Rf＝9.1K＋2.7K＝11.8K，，Av=1+Rf/R

7、1=3.3>=3,有利于起振；反之當Vo的幅值較大時，D1或D2導通，Rf減小，Av隨之下降，Vo1幅值趨于穩(wěn)定。</p><p>　　3-1正弦波產(chǎn)生電路</p><p>　　3.2 正弦波——方波產(chǎn)生電路</p><p>　　如圖,Vo1為正弦信號輸入，經(jīng)過遲滯比較器u2后輸出方波Vo2。電路工作原理：運放同相端接基準電壓，即U+=0,反相端輸入電壓Vo1

8、，R8稱為平衡電阻。當比較器的U+=U-=0時，輸出Vo2從高電平跳到低電平,或從低電平跳到高電平。此時</p><p>　　由于Vo2=±Vz,可得上、下門限電壓為</p><p>　　正弦波輸入信號Vo1在上升到Vt+之前，Vo2保持不變，超過Vt+后Vo2翻轉(zhuǎn)，直到Vo1下降到Vt-，Vo2再翻轉(zhuǎn)，如此反復便形成Vo2方波輸出。</p><p>　　

9、圖3-2 正弦波——三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　3.3 方波——三角波變換電路</p><p>　　圖3-3 方波——三角波變換電路</p><p>　　此電路由反相輸入的過零比較器和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RC充、放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對電容C

10、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≥0,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≤0,Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，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。<

11、;/p><p>　　±UT=±R2∕(R6+RW)U02m T=2R6(R6+RW)C3∕R7</p><p>　　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，R6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)

12、，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。</p><p>　　由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性.</p><p>　　當輸入信號為方波Uo1，則積分器的輸出Uo3為</p><p>　　Uo=+Uz,D5導通,D6截止，Uo3=-1/(R6C)Uz(t1-t0)+Uo(t0)</p><p>　　Uo=-

13、Uz,D6導通,D5截止,Uo3=1/(R6+Rw')Uz(t2-t1)+Uo(t1)</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不相等的占空比可調(diào)的三角波.</p><p>　　經(jīng)計算，如果選R6=1k,則R7=10K，C=100nF.三角波圖與方波圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 方波與三角波</p&g

14、t;<p>　　3.4正弦波——方波——三角波發(fā)生電路</p><p>　　圖4-5 完整波形發(fā)生器電路圖</p><p>　　3.5 電源電路設(shè)計</p><p>　　制作方法是利用橋式整流器與穩(wěn)壓IC搭配適當規(guī)格之電容構(gòu)成整流電路，將一般常用之220伏特電源轉(zhuǎn)為±15Vdc之電源，其電路圖如圖8所示，220伏特電源經(jīng)橋式整流器后，利用三端

15、穩(wěn)壓IC7815與7915將電壓值調(diào)整至±15Vdc，其中7815為正電壓調(diào)整器用以穩(wěn)定電壓至＋15V,7915則進行負電壓調(diào)整。</p><p><b>　　圖3-6 供電電路</b></p><p>　　4 主要元器件的工作原理及參數(shù)</p><p><b>　　4.1 變壓器</b></p>

16、<p>　　變壓器是電子電路，用來升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應技術(shù),變壓器有兩個分別獨立的共用一個鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級線圈和初級線圈。</p><p>　　電流的方向和大小隨時間變化的,變壓器初級通上交流電時,變壓器的鐵芯中產(chǎn)生了交變的磁場（其中接電源的繞組叫初級線圈，其余的繞組叫次級線圈），在次級就感應出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級線圈的匝數(shù)比等于電壓比。變壓器只能改

17、變交流電壓,不能改變直流電壓,因為直流電流是不會變化的,電流通過變壓器不會產(chǎn)生交變的磁場，所以次級線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個瞬間電流和電壓。</p><p><b>　　變壓器的主要參數(shù)：</b></p><p>　　電壓比 n=U1/U2=N1/N2</p><p>　　效 率 η=P2/P1*100%</p><

18、;p><b>　　額定功率 P</b></p><p>　　4.2 橋式整流電路 </p><p>　　橋式整流電路由四個二極管組成，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 橋式整流電路</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　U2

19、正半周時: D1、D3導通， D2、D4截止</p><p>　　U2負半周時：D2、D4 導通， D1 、D3截止</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　輸出電壓平均值：UL=0.9U2</p><p>　　輸出電流平均值:IL= UL/RL =0.9U2/ RL </p>

20、<p>　　流過二極管的平均電流：ID=IL/2</p><p>　　二極管承受的最大反向電壓：25V–1000V</p><p><b>　　4.3 三端穩(wěn)壓器</b></p><p>　　該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有電流過流﹑過熱和調(diào)整管安全區(qū)保護電路，以防止過載而損壞，用它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡單，且安全可靠。</p

21、><p>　　4.4 穩(wěn)壓二極管</p><p>　　穩(wěn)壓器二極管也叫齊納二極管，穩(wěn)壓原理：給穩(wěn)壓二極管施加反向電壓并使其值增大，當反向電壓之值達到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓時，其正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范圍內(nèi)改變電源電壓的波動或改變負載電流的大小，齊納電流IZ和動態(tài)電阻隨之而改變，然而，齊納電壓UZ卻穩(wěn)定不變。穩(wěn)壓二極管串聯(lián)一個電阻來提供一個穩(wěn)定的參考電壓VREF，其中穩(wěn)壓二極管選用1N

22、4735，其穩(wěn)定電壓為6.2V，限流電阻R13選用1K。穩(wěn)壓二極管1N4735的重要參數(shù)：</p><p><b>　　最大工作電流IZM</b></p><p><b>　　穩(wěn)定電壓UZ</b></p><p><b>　　動態(tài)電阻RZ</b></p><p>　　4.5

23、集成運算放大器</p><p>　　集成電路運算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，如下圖4-2表示集成運放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。</p><p>　　圖4-2 集成運放的內(nèi)部 電路組成的原理框圖 </p><p>　　如圖4-2集成運放的輸入級一般是由BIT、JFET或MOSFE

24、T組成的差分式放大電路，利用它的對稱特性可以提高整個電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個輸入端構(gòu)成整個電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級的主要作用是提高電壓增益，它可由一級或多級放大電路組成。輸出級一般由電壓跟隨器或互補電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負載能力。偏置電路是為個級提供合適的工作電流。其代表符號和輸入輸出傳輸特性如圖4-3所示。 </p><p>　　圖4-3 集成運放符號和傳輸

25、特性</p><p><b>　　5. 心得體會</b></p><p>　　一周的課程設(shè)計很快就結(jié)束了，但其過程可謂曲折艱難，通過本周的課程設(shè)計，我認識到課本上的知識的實際應用，激發(fā)了學習興趣，增強了思考和解決實際問題的能力。這是我第一次做課程設(shè)計，給我留下了很深的印象。雖然只是短暫的一周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。</p><p>　　

26、這次課程設(shè)計讓我認識到了知識和實踐的重要性。只有牢固掌握了所學的知識，才能有清晰的思路，知道每一步該怎樣走。才能順利的解決每一個問題。就以這次課程設(shè)計為例，剛拿到題目的時候，大致看一下要求，根據(jù)平時所學的知識，腦海中就立刻會想到應該用到的元器件，然后再去圖書館去查這些元器件的資料，很快地初步方案以及大概的電路原理圖就出來了。但是，在具體的細節(jié)設(shè)計上，我卻不知道為什么，從而明白了自己基礎(chǔ)知識掌握得不牢固。還好由老師的指導和同學們的幫助，才

27、使我順利的完成此次課程設(shè)計所以，這次課程設(shè)計在讓我認識了知識的重要性之外，更讓我明白了自己理論知識和實踐知識的欠缺，讓我堅定了以后努力學習知識的決心。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計.浙江大學出版社，2001年6月</p><p>　　[2] 姚福安，電子電路設(shè)計與實踐.山東科技技

28、術(shù)出版社，2001年10月</p><p>　　[3] 王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計實踐.東南大學出版社，1999年10月</p><p>　　[4] 李銀華，電子線路設(shè)計指導.北京航空航天大學出版社，2005年6月</p><p>　　[5] 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2003</p><p><b>　　附錄一 總電路圖