模拟电子方波正弦波三角波转换全解Word格式.docx

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众所周知，制作函数发生器的电路有很多种。

本次设计先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，这是一种频率可调的移相式正弦波发生器电路，其频率稳定一般为实验所确定，然后可以通过改变电容值来改变再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。

此电路具有良好的正弦波和方波信号。

它的制作成本不高，路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源。

信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

该函数发生器要求能输出频率范围可调的正弦波、方波和三角波，能够很好的实现本次试验的目的,将一些线性和非线性的元件与集成运放组合,输出性能良好的波形.由正弦波、方波或三角波的发生器产生相应的信号，通过相互转换实现多种波形的输出。

正弦波可以由RC正弦波振荡电路产生，之后通过过零比较器可产生方波，再积分可得三角波。

通过调节RC振荡电路中的振荡电阻来实现频率可调。

通过调节比例运算电路的反馈电阻来实现幅度可调，最终做成要求的函数发生器。

1.2设计目的

1．掌握电子系统的一般设计方法

2．掌握模拟IC器件的应用

3．培养综合应用所学知识来指导实践的能力

4．掌握常用元器件的识别和测试

5．熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方法

1.3设计任务

方波－三角波－正弦波函数发生器

① 

输出波形频率范围为10Hz～10kHz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。

第2章实验方案的设计

2.1原理框图

图2-1原理框图

2.2正弦波发生电路的工作原理

一、产生正弦振荡的条件:

正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并创造条件，使其产生稳定可靠的振荡。

正弦波产生电路的基本结构是：

引入正反馈的反馈网络和放大电路。

其中：

接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；

产生振荡必须满足幅度条件；

要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；

同时它还应具有稳幅特性。

因此，正弦波产生电路一般包括：

放大电路；

反馈网络；

选频网络；

稳幅电路个部分。

二、正弦波振荡电路的组成判断及分类：

（1）放大电路：

保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。

（2）选频网络：

确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。

（3）正反馈网络：

引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。

稳幅环节：

也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。

三、判断电路是否振荡的方法：

（1）是否满足相位条件，即电路是否正反馈，只有满足相位条件才可产生振荡。

（2）放大电路的结构是否合理，有无放大能力，静态工作是否合适；

（3）是否满足幅度条件。

四、正弦波振荡电路检验：

（1）

则不可能振荡；

（2）

振荡，但输出波形明显失真；

（3）

产生振荡。

振荡稳定后

。

此种情况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小。

五、RC正弦波振荡电路：

常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。

串并联网络在此作为选频和反馈网络。

图2-2RC桥式正弦波振荡电路

RC桥式正弦波振荡电路的构成如图所示。

当

时，RC选频网络的相移为零，这样RC串并联选频网络送到运算放大器同向输入端的信号电压Vi与输出电压Vo同相，所以RC反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。

为使在震荡建立期间信号做增幅震荡，应选择R1和R2可使Af≥3，保证

因此它的起振条件为：

；

它的振荡频率为：

。

它主要用于低频振荡。

要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC正弦波振荡电路。

此外，石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定，它常用于振荡频率高度稳定的的场合。

RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠两个并联的二极管组成的，当输出信号较小时，二极管工作电流小，动态电阻大，电路的增益较大，引起增幅震荡过程。

当输出幅度达到一定程度，二极管工作电流大，动态电阻小，电路的增益下降，电路的输出电压幅值将不再上升，从而使输出电压稳定，以此来达到稳幅的目的。

2.3正弦波变换成方波的工作原理

一、电压比较器的功能：

电压比较器是用来比较两个电压大小的电路，它的输入信号是模拟电压，输出信号一般是只有高电平和低电平两个稳定状态的电压。

利用电压比较器可将各周期性信号转换成矩形波。

二、过零比较器：

参考电压为零的比较器称为过零比较器。

按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种过零比较器，通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性。

阈值电压（又称门槛电平）是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表示。

图2-3过零比较器

本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号，其传输特性曲线如下图所示：

2.4方波变换成三角波的工作原理

方波经过积分器就变成了三角波。

但是此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。

图2-4积分电路原理

Vo-Vi为积分关系，负号表示输入和输出信号相位相反。

当Vi为定值时，电容将恒流充电，输出电压为：

（2-1）

当积分器输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下：

图2-5三角波发生器工作波形

图2-6积分电路仿真图

2.5正负12V直流稳压电源的设计

直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能完成。

一、设计原理：

直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所组成，基本框图如图所示：

图2-7直流稳压电源设计框图及波形

二、各部分作用：

1、电源变压器T：

作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电路所需要的交流电压Ui。

2、整流电路：

整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。

再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。

3、滤波电路：

经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用，为减少其交流成分，常在整流电路后接滤波电路。

滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其输出平滑的直流电压，这里我们采用接入滤波电容来组成滤波电路。

4、稳压电路：

常用的稳压电路有两种形式：

一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。

二者的工作原理有所不同。

稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的压降来达到稳定输出电压的目的。

三、具体电路设计：

在整流电路中我们采用全波整流桥，该电路的整流效果和输出电压波形为单项半波整流的两倍，在稳压电路中采用CW7812和CW7912型号的这两个集成稳压器芯片组成的具有同时输出固定的+12V、-12V电压的稳压电路。

该电路对称性好，温度特性也近似一致。

图2-8直流稳压电源电路图

四、稳压电源的性能指标及测试方法：

稳压电源的技术指标分为两种：

一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；

另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。

第3章仿真电路及运行结果

3.1Multisim简介 

Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。

multisim 

10概述:

1.通过直观的电路图捕捉环境,轻松设计电路。

2.通过交互式SPICE仿真,迅速了解电路行为。

3.借助高级电路分析,理解基本设计特征。

4.通过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试。

5.通过改进、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。

3.2总波形发生电路

图3-1正弦波－方波－三角波函数发生器

该电路分为三部分，第一部分为RC桥式正弦振荡电路，其功能是利用RC振荡产生特定频率的正弦波；

第二部分为过零电压比较器电路，其功能为将正弦波转成方波；

第三部分为积分电路，其功能为利用积分电路将方波转成三角波；

此外，在积分电路之前设置一个电压跟随器，起到隔离作用，使过零电压比较器电路与积分电路不相互影响。

确定电路元器件参数：

稳压管的作用是限制和确定方波的幅度，因此方波正负半周的对称性与稳压管性能有关。

因此选用稳压管时，要选择性能好一些的两个管性能对称的稳压管，最好选用双向稳压管；

R3是稳压管的限流电阻，阻值根据稳压管的电路确定；

Rp1和Rp2给比较器提供门限电平，他们可以决定三角波的幅值.因此Rp1和R2的值应根据三角波的幅值决定。

一般为了使三角波的幅值可调，常用电位器作为Rp1、Rp2和电容C的值决定三角波的频率f。

一般是Rp1和R2的值确定后，可以先确定电容C的值，然后由f。

=R2/（4Rp2Rp1C）来确定R4的值.Rp2若采用电位器，则三角波频率可调。

为了减小积分漂移，电容C的值尽量取大些，但是C值越大漏电也越大，因此一般C不超过1uF；

集成运放的选择用于比较器的运放要求速度应该高些。

通过改变反馈网络中的变阻RP3的阻值可以改变正弦波的输出波形的幅值；

之后方波的输出波形也随之确定；

通过改变变阻RP4的阻值可以改变三角波的输出波形的幅值。

3.3正弦波仿真

在变阻RP1、RP2百分比分别为50%，RP3百分比为25%，示波器输出的波形如下图所示。

图3-2正弦波仿真视图

由图可知T1的时间为1.315s，通道A为-1.660V。

T2的时间为1.338s，通道A为1.658V。

由此可知仿真出的正弦波的幅值为：

1.660V；

峰-峰值为：

3.318V；

周期为46.154ms。

3.4方波仿真

图3-3方波仿真视图

由图可知T1的时间为736.976ms，通道A为-6.834V。

T2的时间为760.908ms，通道A为6.812V。

6.812V；

13.646V；

周期为47.864ms。

3.4三角波仿真

图3-4三角波仿真视图

由图知T1的时间为5.516s，通道A为-2.554V。

T2的时间为5.180s，通道A为2.513V。

由此知仿真出的正弦波的幅值约为：

2.554V；

5.067V；

周期为24.786ms。

结论

经过几天的制作我的课题——方波－三角波－正弦波函数发生器已经做了出来，一开始感觉这样的东西挺简单的，只要找到资料就会很容易的制作出来，但当我真正的操作起来才发现还有好多的问题。

如波形的转换，方波转换成三角波，最后再转换成正弦波，弄了很长时间才弄明白。

这次的课题设计还让我体会到了理论与实际相结合的重要性，如果你只注重理论学习而不去锻炼自己的实践经验，是永远不能把事情做好的，从理论中得出结论，用实践锻炼自己，这才是重要的。

同时这次的设计让我也学到了一些书本上没有的知识，提升了我独立思考能力。

还有就是让我熟练的对Multisim仿真软件的运用，总之这次设计让我深刻地学会了许多东西，也温习了许多以前的知识。

致谢

本课题设计是我在柏蓬明、盛桂芬老师的悉心关心和精心指导下完成的。

在此，我要感谢我的指导老师，在他们循循善诱的教导和不拘一格的教学思路给了我无尽的启迪，他们高度的敬业精神对我也产生了重要影响。

在您的细心指导和帮助下我才能够很快的选择好课题完成这篇设计。

感谢我的每一位亲人，是你们的支持使我在学校的继续求学，焉得谖草，言树之背。

养育之恩。

无以回报、父母，永远健康是我最大的心愿。

在设计即将截稿之时，我的心情无法平静，从开始进入课题到设计的顺利完成，有很多可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

参考文献

[1]吴友宇《模拟电子技术基础》[M]清华大学出版社2009

[2]刘岚《电路分析》[M]科学出版社2012

[3]童诗白《模拟电子技术基础（第三版）》[M]北京高教出版社2001

[4]胡宴如《模拟电子技术》[M]北京高等教育出版社2000

[5]康华光《电子技术基础（模拟部分）》[M]高等教育出版社1999

[6]王远《模拟电子技术基础（第3版）》[M]机械工业出版社2007

[7]孙肖子《模拟电子电路及技术基础》[M]西安电子科技大学出版社2008