电路CAD课程设计设计一个能产生方波和三角波的波形发生器.docx
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电路CAD课程设计设计一个能产生方波和三角波的波形发生器
太原理工大学现代科技学院
电路CAD课程设计
题目波形发生器
摘要
课设目的：
设计一个能产生方波和三角波的波形发生器
课设要求：
使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为fo=5kHz的方波，其电压幅度为+Vs=|－Vs|=14V。
同时产生一个频率为fo=5kHz的三角波，其幅度为+Vt=|－Vt|=5V。
课设所用软件：
protel99se、EWB
课设原理图：
Abstract
Curriculumdesignpurpose：
Designacanproducesquareandtriangularwavewaveformgenerator；
Coursedesignrequirements：
Useofintegratedop-ampdesignawaveformgenerator,produceafrequencyforfo=5kHzsquarewave,thevoltageamplitudefor+Vs=|-Vs|=14v.Atthesametimecreateafrequencyforfo=5KHZtriangularwave,itsamplitudefor+Vt=|-Vt|=5v；
Thecoursedesignofsoftware：
protel99se、EWB
Curriculumdesignprinciplediagram：
目录
1、设计任务与要求
1．方波发生器设计
2．三角波发生器设计
3．电源电路设计
4.使用软件
5.工作分配情况
二、方案设计与论证
三、单元电路设计与参数计算
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
2．用Protel绘制的原理图生成网络表
3．用Protel绘制的PCB板
4.元件清单及封装
五、结论与心得
一、设计任务与要求
1.方波发生器设计；
2.三角波发生器设计；
3.电源电路设计。
使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为fo=5kHz的方波，其电压幅度为+Vs=|－Vs|=14V。
同时产生一个频率为fo=5kHz的三角波，其幅度为+Vt=|－Vt|=5V。
波形发生器方框图见图1。
4.使用软件
用protel99se设计单元电路图和总电路图以及PCB板；
用EWB进行电路仿真。
5.工作分配情况
首先，进行单元电路的设计：
宫茜茜同学用protel99se设计三角波发生电路；
徐杨同学用protel99se设计方波发生电路；
我用protel99se设计电源电路；
同时，崔智聪同学设计EWB仿真电路；
最后，大家一起用protel99se研究总的电路图以及PCB板的制作。
二、方案设计与论证
波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。
波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件（如视频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块5G8038）。
本次波形发生器设计要求产生方波和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。
而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。
系统原理框图：
图1模拟电路实现方案
用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如上示。
此电路结构简单，且有良好的正弦波和方波信号。
但经过积分电路产生同步三角波信号，存在难度。
原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，且随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波的幅度同时改变。
若要同时保持三角波的输出幅度不变，须同时改变积分时间常数的大小。
系统原理框图如下示：
若用运放完成，则选定用比较器，比较器器有好多种，比如单限比较器，滞回比较器，窗口比较器等等。
虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。
滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就是具有一定的抗干扰能力。
从而选择滞回比较器。
由于本次波形发生器设计要求产生方波和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。
而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。
3、单元电路设计与参数计算
1.方波发生器电路的设计
电路组成及工作原理：
因为矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。
电路组成：
如图所示为矩形波发生电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。
电压传输特性如图所示。
工作原理：
★设某一时刻输出电压uO=+UZ，则同相输入端电位uP=+UT。
uO通过R3对电容C正向充电，如图中箭头所示。
反相输入端电位uN随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，uN趋于+UZ；★一旦uN=+UT，再稍增大，uO就从+UZ跃变为-UZ，与此同时uP从+UT跃变为-UT。
随后，uO又通过R3对电容C放电，如图中箭头所示。
★反相输入端电位uN随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，uN趋于-UZ；一旦uN=-UT，再稍减小，uO就从-UZ跃变为+UZ，与此同时，uP从-UT跃变为+UT，电容又开始正向充电。
上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
波形分析及主要参数：
由于矩形波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为R3C，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内uO=+UZ的时间与uO=-UZ的时间相等，uO为对称的方波，所以也称该电路为方波发生电路。
电容上电压uC和电路输出电压uO波形如图所示。
矩形波的宽度Tk与周期T之比称为占空比，因此uO是占空比为1/2的矩形波。
利用一阶RC电路的三要素法可列出方程，求出振荡周期
振荡频率f=1/T。
调整电压比较器的电路参数R1、R2和UZ可以改变方波发生电路的振荡幅值，调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。
占空比可调电路：
占空比的改变方法：
使电容的正向和反向充电时间常数
不同。
利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，占空比可调的矩形波发生电路如图（a）所示，电容上电压和输出电压波形如图（b）所法。
电路工作原理：
★当uO=+UZ时，通过RW1、D1和R3对电容C正向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数
★当uO=-UZ时，通过RW2、D2和R3对电容C反向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数
利用一阶RC电路的三要素法可以解出
结论：
改变电位器的滑动端可改变占空比，但不能改变周期。
❤用protel99se设计的电路图如下所示：
2.三角波发生电路的设计
在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值电压数值比较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。
但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。
实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算的输出就得到三角波电压。
❤用protel99se设计的电路图如下所示：
3.电源电路的设计
本设计还要求有电源电路。
稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。
❤用protel99se设计的电路图如下所示：
4.EWB的仿真
❤用EWB设计的电路总图如下所示：
仿真结果如下：
提供稳定电压
调方波幅度则调R6
调三角波幅度则调R7
调频率则调R3
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图（用protel99se设计）
2．用Protel绘制的原理图生成网络表
3．用Protel绘制的PCB板如下所示：
4.元件清单及封装
元件序号
型号
主要参数
封装
数量
备注
R1
RES2
15k
AXIAL0.3
1
R2
RES2
15k
AXIAL0.3
1
R4
RES2
10k
AXIAL0.3
1
R5
RES2
10k
AXIAL0.3
1
R3
POT2
100k
VR2
1
R6
POT2
20k
VR2
1
R7
POT2
20k
VR2
1
C
CAP
0.005uF
RAD0.4
1
C1
CAP
100uF
RAD0.4
1
C2
CAP
100uF
RAD0.4
1
D1
DIODESCHOTTKY
DIODE0.4
1
D2
DIODESCHOTTKY
DIODE0.4
1
OPAMP1
OPAMP
DIP6
1
OPAMP2
OPAMP
DIP6
1
OPAMP3
OPAMP
DIP6
1
OPAMP4
OPAMP
DIP6
1
B1
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B2
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B3
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B4
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B5
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B6
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B7
BATTERY
14v
RAD0.4
1
B8
BATTERY
14v
RAD0.4
1
五、结论与心得
通过这次CAD课程设计，让我受益匪浅：
（1）这是一次团队合作的实验，我们抓住各自擅长的软件与性格特点，明确的分工合作，每个人的设计都在同步进行，充分利用好时间；
（2）这次课设使我们对protel99se和EWB有了更深入地了解，使用更加熟练；
（3）我们参考了网上的资料，进行了小组的多次讨论，仔细分析每个单元电路的产生原因及原理，在续老师的多次耐心指导下，我们一步步克服困难，对PCB板的设计时，手动排版更贴切实际，但从本次实验，也体现出做任何事都要认真，有耐心，有责任心。
最后，还是要衷心的感谢续老师的耐心指导！
参考文献
[1]中国计量出版社组编.新编电子电路大全（第1卷,共6卷）——家用与民用电路.北京:
中国计量出版社,2001.
[2]夏路易.电路原理图与电路板设计教程.兵器工业出版社.2002.
[3]殷兴光.交通信号灯PLC控制.职业教育研究,2005:
134.
[4]岑红蕾,吴延祥,谢江,任玲.顺序控制流程图在交通灯自动控制系统中的应用.石河子大学学报（自然科学版）,2006,24（6）:
765-767.
[5]
同组同学：
崔智聪
宫茜茜
徐杨
升级会员 