正弦波方波三角波函数转换器讲解.docx
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正弦波方波三角波函数转换器讲解
课程设计名称：
电子课程设计
课程设计题目：
设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器
学院名称：
信息工程学院
专业：
班级：
学号：
姓名：
评分：
教师：
2013－2014学年第1学期 第1周－3周
题目
设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器
内容及要求：
设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器，要求实现：
（1）输出波形频率范围为0.2KHz~20kHz且连续可调；
（
）正弦波幅值为±2V；
（
）方波幅值为2V；
（
）三角波峰-峰值为2V，占空比可调；
进度安排：
1.根据任务要求，查阅相关资料，完成设计前的前期工作：
2天
2.根据资料，进行方案设计并对比论证，完成参数计算：
2.5天
3.领取元器件，连接电路，完成电路调试：
3
4.提交报告：
12周
注：
1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。
2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。
摘要
在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。
用三角波，方波发生电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。
因此，本设计意在用LM324放大器设计一个产生正弦波-方波-三角波的函数转换器。
为了使这三种波形实现转换，正弦波可以通过RC振荡电路产生。
正弦波通过滞回比较器可以转换成方波，方波通过一个积分电路可以转换成三角波，三角波的占空比只要求可调即可。
从而实现转换器的设计。
关键字：
放大器、波形转换、同相滞回比较、电路积分电路、滤波电路
前言…………………………………………………………………………………1
第一章设计要求…………………………………………………………………2
1.1设计内容及要求…………………………………………………………2
第二章系统组成及原理…………………………………………………………3
2.1方案一……………………………………………………………………3
2.2方案二……………………………………………………………………3
第三章单元电路设计与计算……………………………………………………5
3.1单元电路设计……………………………………………………………5
3.1.1正弦波发生器实验原理……………………………………………5
3.1.2正弦波—方波转换器实验原理……………………………………6
3.1.3方波—三角波转换器实验原理……………………………………8
3.1.4直流电源电路原理…………………………………………………9
3.2三角波正弦波转换电路…………………………………………………11
3.2.1直流电源的参数设计………………………………………………11
3.2.2RC正弦波振荡电路的参数设计…………………………………11
3.2.3方波电路的参数设计………………………………………………11
3.2.4三角波电路的参数设计……………………………………………11
第四章安装与调试………………………………………………………………12
第五章性能测试及分析…………………………………………………………13
第六章结论与心得………………………………………………………………14
6.1实验结论…………………………………………………………………14
6.2心得体会…………………………………………………………………14
参考文献……………………………………………………………………………15
附录…………………………………………………………………………………16
1总原理图…………………………………………………………………16
2芯片管脚图………………………………………………………………17
3原件清单…………………………………………………………………17
前言
现今世界中电子技术与电子产品的应用越加广泛，人们对电子技术的要求也越来越高。
因此如何根据实际要求设计出简便实用的电子技术物品便显得尤为重要。
灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。
能将简单的易获取的信号转换为自己所需的复杂信号是一项必不可少的技术。
我们有必要做好这相关方面的研究，为被测电路提供所需要的信号及各种波形，以便完成各种相关试验。
信号源在各种试验应用和实验测试处理中，仿真各种测试信号，提供给被测电路，用来满足实验的各种要求。
本文所设计的波形发生器就是信号源的一种，采用集成运算放大器、电阻和电容组成简单的电路，实现波形的产生和转换。
第一章、设计要求
1.1设计内容及要求
1.输出波形频率范围为0.2KHz~20kHz且连续可调；
2.正弦波幅值为±2V，；
3.方波幅值为2V；
4.三角波峰-峰值为2V，占空比可调；
第二章、系统的组成及工作原理
设计要求为实现正弦波-方波-三角波之间的转换。
正弦波可以通过RC振荡电路产生。
正弦波通过滞回比较器可以转换成方波，方波通过一个积分电路可以转换成三角波，三角波的占空比只要求可调即可。
各个芯片的电源可用±12V直流电源提供，并备用了两套方案设计。
2.1方案一
方案一电路方框图如图2.1所示。
图2.1方案一方框图
LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相似的，只是选频网络采用LC电路。
在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。
2.2方案二
方案二电路方框图如图2.2所示。
图2.2方案二方框图
方案二仿真电路如图2.3所示。
图2.3方案二仿真电路图
方案论证：
LC正弦波振荡电路特别是方案一所采取的电感反馈式振荡电路中N1与N2之间耦合紧密，振幅大；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高频率可达几十兆赫兹。
由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波形中常含有高次谐波。
因此，电感反馈式振荡电路常用在对波形要求不高的设备之中，如高频加热器、接受机的本机振荡电路等。
另外由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。
因此对于器材的选择及焊接的要求提高，并且器材总价格也增加了。
相反，RC正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般在1MHz以下，它是以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小等优点，因此获得相当广泛的应用。
另外对于器材的要求也不高，只需集成块、电容、电位器等组成即可。
在焊接方面，直接、美观、大方！
在器材总价格方面，相比第一种方案更为实惠。
综合对比两种方案，选择第二种方案。
第三章单元电路设计与参数计算
3.1单元电路设计
3.1.1正弦波发生器实验原理
（1）RC串并联选频网络
。
R1=R2=R，C1=C2=C，，令
则：
得RC串并联电路的幅频特性为：
相频特性为：
最大，F=0。
（2）振荡频率与起振条件
1）振荡频率：
2）起振条件：
当f=f0时，由振荡条件知：
所以起振条件为：
同相比例运放的电压放大倍数为：
即要求：
3）稳幅环节：
反馈电阻的热敏RF采用负温度系数电阻，R1采用正温系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。
或者在RF回路中串联二个并联的二极管也可以自动稳幅。
正弦波发生器仿真电路图3.1所示。
图3.1正弦波发生器仿真电路图
3.1.2正弦波—方波转换器实验原理
正弦波—方波转换器方框图如图3.2所示。
图3.2正弦波—方波转换器方框图
（1）电路组成：
1）滞回比较器：
集成运方、R11、R8.
图3.3为一种电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R3起限流作用，R2和R1构成正反馈，运算放大器当up>un时工作在正饱和区，而当un>up时工作在负饱和区。
从电路结构可知，当输入电压ui小于某一负值电压时，输出电压uo=-UZ；当输入电压ui大于某一电压时，uo=+UZ。
又由于“虚断”、“虚短”up=un=0，由此可确定出翻转时的输入电压。
up用ui和uo表示，有
=un=0
得此时的输入电压
Uth称为阈值电压。
滞回电压比较器的直流传递特性如图3.4所示。
设输入电压初始值小于-Uth，此时uo=-UZ；增大ui，当ui=Uth时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。
如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小ui，当ui=-Uth时，运放则开始进入负饱和区。
图3.3电压比较器电路图3.4滞回电压比较器的直流传递特性
（2）正弦波—方波转换仿真电路图
正弦波—方波转换仿真电路如图3.5所示。
图3.5正弦波—方波转换仿真电路图
3.1.3方波—三角波转换器实验原理
方波—三角波转换器方框图如图3.6所示。
图3.6方波—三角波转换器方框图
（1）积分运算电路
如图3.7所示。
图3.7积分运算电路
由于“虚地”，Uo+Uc=0,故：
Uo=-Uc
由于“虚断”，i1=iC,故：
Ui=i1R=icR
得：
；τ=RC（积分时间常数）
由上式可知，利用积分电路可以实现方波——三角波的波形变换。
（2）正、反向积分时间常数可调电路
正、反向积分时间常数可调电路如图3.8所示。
图3.8正、反向积分时间常数可调电路
3.1.4直流电源电路原理
直流电源电路方框图如图3.9所示。
图3.9直流电源电路方框图
（1）整流电路：
将交流变直流的过程。
设变压器副边电压U2=
U2为其有效值。
则：
输出电压的平均值
输出电流的平均值
IO（AV）=0.9U2/RL
脉动系数
S=
=2/3=0.67
二极管的选择
最大镇流电流IF>1.1
最高反向工作电压URM>1.1
（2）滤波电路：
将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。
按照三角形相似关系可得：
UO（AV）=
U2（1-T/4RLC）
当RLC=（3~5）T/2时，UO（AV）=1.2U2
脉动系数为S=
（3）稳压电路：
把电压幅值稳定的电路。
在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。
限流电阻R是必不可少的元件，它既限制稳压管中的电流使其正常工作，又与稳压管相配合以达到稳压的目的。
一般情况下，在电路中如果有稳压管存在，就必然有与之匹配的限流电阻。
1）稳压电路输入电压UI的选择：
根据经验，一般选取UI=（2~3）UO
UI确定后，就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。
2）稳压管的选择：
UZ=UO;
IZmax-IZmin>ILmax-ILmin;
稳压管最大稳定电流IZM>=ILmax+ILmin
3）限流电阻R的选择：
通过查手册可知：
IZMIN<=IDZ<=IZMAX;
计算可知:
=（UImin-UZ）/（IZ+ILmax）
Rmin=（UImax-UZ）/（IZM+ILmin）
本实验采用集成稳压器电路，其包括调整管、保护电路、比较放大电路、基准电压电路、采样电路、电流源电路。
4）直流电源电路仿真电路图如图3.10所示。
图3.10直流电源电路仿真电路图
3.2参数计算
3.2.1直流电源的参数设计
提供的是220V的交流电源要变为正负12V直流电，变压器用220V~15V规格的，由于整流电路中用的二极管最大镇流电流IF>1.1
，最高反向工作电压URM>=1.1
因此选用二极管型号为1N4007即可。
滤波电路中RLC=（3~5）T/2时滤波效果好，因此大电容可选用耐压值为35V，3300uf的电容两个。
稳压管稳压电路中选的三端稳压器为：
LM7812、LM7912，这样可以稳定输出电压为正负12V。
另外加上一些滤波电容，即：
C3=C4=220uf,C5=C6=220nf,C7=C8=100nf.为了显示输出电压“与否”，两边可分别用二极管串联一个1K的电阻来显示。
3.2.2RC正弦波振荡电路的参数设计
根据设计要求输出波形频率范围为0.2KHz~20kHz且连续可调，正弦波幅值为±2V，f0=1/（2ПRC），由于器材的原因，取C=220nf,则R=1/2Пf0C,解之可得，R的取值范围0.0369K~3.69K，因此RC选频网络用两个5K电位器和两个220nf的电容组成串并联网络。
对于电压幅值2V，可以通过R310K的电位器和R110K的电阻调节而得到。
3.2.3.方波电路的参数设计
根据设计要求方波幅值为2V，因此稳压二极管可选用两个稳压为3.3V的。
3.3.4三角波电路的参数设计
由于是方波—三角波转换电路，因此在第二个集成块的输出端加上个限流阻R5=2K,根据设计要求锯齿波的峰—峰值为2V，且占空比可调。
Uo=-
Uz（t1-t0）+UO（t0）当Uo=
Uz（t2-t1）+UO（t1）
T=
取R9、R5为10K的电位器，R8为50K电位器。
解之可得：
R6=282/T=282f=0.0968K~9.68K，因此取R6=10K，积分电路中C=220nf,改变占空比的二极管可选用2个1N4007,补偿电阻R12可选取10K，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。
第四章安装与调试
1.直流稳压电源
（1）按所设计得电路图在电路板上做好布局，准备焊接电路板。
（2）用万用表测得输出为+12.0V和-12.06V，与理论值有一定的误差；并且测出7812、7912输入与输出的压差，并记录。
2.正弦波、方波、三角波
（1）按所设计得电路图在电路板上做好布局，准备焊接电路板.
（2）经“起振”调试后用示波器可测得各输出端的波形，并记录。
（3）用示波器读出格数，计算峰—峰值；
（4）调节各个电位器，用函数发生器的输入端测出各个波形的频率范围，并记录。
第五章性能测试与分析
1.直流电源部分
用万用表测得输出为+12.0V和-12.06V，与理论值有一定的误差；并且测出7812、7912输入与输出的压差。
（1）数据处理：
输出：
LM7812输出12.0V；
LM7912输出-12.06V。
稳压块电势差：
LM7812为8.9V，LM7912为8.6V。
（2）误差计算：
LM7812：
（12-12）/12
100%=0%。
LM7912：
|12-12.06|/12
100%=0.001%。
2.波形转换部分
经“起振”调试后用示波器可测得各输出端的波形，并记录。
用示波器读出格数，计算峰—峰值；然后用数字毫伏表读出其有效值，并记录。
调节各个电位器，用函数发生器的输入端测出各个波形的频率范围，并记录。
（1）正弦波（幅值可调、频率可调）
峰-峰值：
Up-p=2
3.4=6.8V有效值为：
U=6.8/2
=2.4V
频率调节范围为：
225.7HZ——14.7KHZ
（2）方波
峰-峰值：
Up-p=2
2V=4V频率调节范围为：
225.7HZ——14.7KHZ
相对误差：
|2-2|/2
100%=0
（3）三角波（占空比可调）
峰-峰值：
Up-p=1
2V=2V频率调节范围为：
225.7HZ——14.7KHZ
相对误差：
|2-2|/2
100%=0
3.误差分析：
（1）直流电源输出不是标准的正负12V。
（2）集成块不是理想的集成块；
（3）对电位器进行调节时，由于是手动控制，难以准确的到达所需的阻值；
（4）电路之间的连线不是理想的，有电阻，使实验存在误差；
第六章结论与心得
6.1实验结论：
（1）实现本次实验的方法不唯一，但相较而言，方案一所用的元器件最少，提高了实验电路的稳定性，且实验的调节方法也很简单，做到了节约、简便、迅速的基本要求。
（2）通过调节10k电位器，可以改变正弦波的幅值；
（3）方波的幅值由稳压管稳压值决定。
（4）调节稳压管并联的电位器可以调节方波的幅值；调节RC振荡电路的调频电位器可以调节频率大小。
（5）RC桥式正弦波振荡电路以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节。
（6）在调试过程中，采取逐级调试，逐级校准的方法得到试验结论。
6.2心得：
由于是第一次做课程设计，对设计的具体操作过程还不是很了解，总是觉得很难做。
还好老师在课堂上多次讲解了，提出了一些要注意的问题，让设计更好。
首先是在网上查到了一些资料，然后小组一起讨论了电路图的设计以及参数计算问题，解决这些问题后，开始做仿真电路图，想通过仿真结果来初步验证设计电路，得到了正确的实验结果，设计基本满足设计要求。
其次实验提高了同学们的分工合作精神，使同学们学会了如何设计电路，熟练了电路焊接方法以及掌握调试方法与测试参数，同时还提高了同学们的动手能力和测试技术能力。
参考文献:
[1]、康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）.高等教育出版社
[2]、谢自美.电子线路设计.
[3]、毕满清编.电子技术实验与课程设计.机械工业大学出版社
[4]、李万臣主编．模拟电子技术基础与课程设计.哈尔滨工程大学出版社
[5]、电子线路设计应用手册.张友汉主编，福建科学技术出版社（2000）
[6]、电子技术基础实验研究与设计.陈兆仁主编，电子工业出版社
附录
1.总原理图
直流电源原理图如图1所示。
图1直流电源原理图
波形转换原理图如图2所示
图2波形转换原理图
2.芯片管脚图
LM324管脚图
3.元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
变压器
15V
1
三端稳压器
LM7812
1
三端稳压器
LM7912
1
电阻
68Ω、2K、10K
15K、1K
3、1、3
1、2
芯片
LM324
1
电位器
5K、50K
2、1
电位器
10K
4
电容
0.22uf
3
二极管
IN4007
10
发光二极管
5
稳压管
3.3V
2
焊接板
1
电容
3300uf、220uf
2、2
0.1uf、0.33uf
2、2
导线
若干
PCB板
升级会员 