设计制作正弦波方波三角波函数转换器Word格式文档下载.docx
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2009年7月2日
模拟电路课程设计报告
正弦波-方波-三角波函数转换器的设计
一、设计任务与要求
①
输出波形频率围为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；
⑤
用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的
二、方案设计与论证
波形产生电路通常课采用多种不同电路形式和元器件后的所要求的波形信号输出。
波形产生电路的关键部分是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。
具体设计可参考一下方案。
方案一、文氏桥式振荡器（RC串-并联正弦波振荡器）产生正弦波输出，其主要特点是采用RC串-并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率f0=1/（2∏RC），改变RC的数值，可得到不同频率的正弦波信号输出。
用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号变换成方波信号输出。
用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波或锯齿波信号输出。
该电路的优点是：
发生信号的非线性失真小，缺点是：
调试过程烦琐，所需元器件多，制作难度大，成本较高．
方框图：
方案二、用uA741构成信号发生电路，把正弦波信号转换成方波信号再转变成锯齿波信号，该电路调试过程较简单，容易实现波形的转换，制作简单．
三、单元电路设计与参数计算
直流电源:
直流电源由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路四部分构成
稳压电源的组成框图
交流
电源
电路图
１．整流，滤波电路
用四个整流二极管组成单相桥式整流电路，将交流电压Ｕ2变成脉动的直流电压,为了减小电压的脉动，再经滤波电容C1滤除纹波,输出直流电压Ui，UI=1.2U2
为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=（3～5）T/2的条件。
两个二极管分别与LM7812和LM7912反向并联，取到保护电路的作用。
同时在后面有两个发光二极管监视电路。
2．稳压电路
稳压电路中用三端固定稳压器组成固定电压输出电路，用Ｃ为抗干扰电容，用以旁路在输入导线过长时窜入的高频干扰脉冲，Ｃi是用来改善输出瞬变特性和防止电路产生自激振荡．所接的二极管对稳压器起保护作用，防止输入端短路时Ｃ2上电荷对稳压器部放电使部输出管击穿而损坏．
三端固定式集成稳压器构成稳压电路时要求输入电压Ｕi不能过低，
Ｕi—U0>
3V
根据输出电压、电流选用三端集成稳压器及输入电压。
信号发生部分
1.正弦波部分
用文氏桥电路,电路由放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个部分组成。
放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。
正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有
Rf
2R1
且振荡产生正弦波频率
正弦波电路参数设计：
由于RC桥式振荡的振荡频率是由RC网络决定的，因此选择RC的值时，应把已知的振荡频率作为主要依据。
同时，为了使选频网络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响，选择R时还应考虑R应该远远大于集成远放的输出电阻，并且要远远小于集成远放的输入电阻。
根据已知条件，由fo=1/（2πRC）可以计算电容的值，实际应用时要选择稳定性好的电阻和电容。
R1和Rf的值可以由起振条件来确定，通常取Rf=2.1R1，这样可以保证起振又不会使输出波形严重失真。
因为0.2KHz<
<
20KHz得
R
。
又因Rf
2R1取Rf=2.1R1
可得R1=
设计R
要考虑失调电流及其漂移影响，应该取R=R1//Rf。
综合上述两个条件可以算出R1的值为11.7
～11.7K，则Rf应为24.49
～24.49K。
实际应用时应当调节这两个电阻的值使其满足要求。
２．正弦波－方波转换部分
正弦波到方波的转换采用的是过零比较器，从集成运放输出端的限幅电路可以知道U0=±
R3/（R3+R2）Uz
由幅值是两伏与及市产的情况，选所以选Uz=±
6.2的稳压管，如果选R3为1KΏ，则（R3+R2）的值约为3KΏ
3.方波－锯齿波转换部分
此电路由反相输入的过零比较器和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。
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，如图中实线箭头所示。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；
但是，一旦Un≥0,Uo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反向充电，如图中虚线箭头所示。
Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；
但是，一旦Un≤0,Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。
上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。
±
UT=±
R2∕（R6+RW）U02mT=2R6（R6+RW）C3∕R7
运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R6称为平衡电阻。
比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）,当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。
由以上公式可得比较器的电压传输特性.
当输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo3为
Uo=+Uz,D5导通,D6截止，Uo3=-1/（R6C）Uz（t1-t0）+Uo（t0）
Uo=-Uz,D6导通,D5截止,Uo3=1/（R6+Rw'
）Uz（t2-t1）+Uo（t1）
可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度不相等的占空比可调的锯齿波.
经计算，如果选R6=1k,则R7=10K，C=100nF.
锯齿波图与方波图如下：
四、总原理图及元器件清单
1．总原理图
2．元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
A
µ
A741
3
10KΏ
1
2KΏ
1KΏ
5
可调
50KΏ
2
双联通滑阻器
稳压管
6.2V
100KΏ
D
IN4007
10
发光二极管
C
3300ūF
220ūF
0.22ūF
0.1ūF
三端稳压管
LM7812CT
LM7912CT
各一个
五、安装与调试
对直流稳压电源测试其变压器的原副边电压，整流、滤波电压，稳压管输入输出电压，如果测试值在误差围，说明满足设计要求。
静态调试：
用万用表对电路板进行静态测试，目的主要是为了防止虚焊或者漏焊。
静态调试没有问题之后方可以到实验室进行动态测试，主要测试参数有正弦波的幅值，输出波形频率围。
再对方波、三角波、锯齿波电路的静态工作点进行测试，即方波和锯齿波的幅值。
然后对电路进行动态测试。
主要是测试方波、锯齿波的振荡频率的调节围。
注意用示波器测量幅值必须把所有的微调都调到顺时针顶端。
在测量数之前必须把波形先调好，只有在波形不失真的情况下才能测量参数，否则所测数据没有任何意义。
动态调试：
正弦波产生电路的安装与调试：
1.把UA741集成块插入面包板，注意布局，焊点焊接；
2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器、稳压管的接法；
3.按图接线，注意直流源的正负及接地端。
频率的调节：
固定电容C不变，改变RC振荡电路中R的值，在三角波幅值符合要求时，输出波形频率发生改变，测量频率变化围.
方波发生电路的安装与调试：
（1）.安装方波产生电路：
1.把UA741集成块插入面包板，注意布局；
2.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法；
（2）调试方波产生电路：
1.接入电源后，用示波器进行观察；
2.调节R9，使方波的幅值满足指标要求；
3.观察示波器，各指标达到要求后进行下一部按装。
（3）三角波、锯齿波发生电路的安装与调试：
调试方法与方波相同。
占空比调节：
改变RW变中心滑头，就可以实现占空比可调。
六、性能测试与分析
1.直流电源部分
变压器的原边输出电压和波形
整流电压和波形
滤波电压和波形
稳压管的输出电压
正弦波发生部分的仿真电路图
方波发生部分的仿真电路图
三角波发生部分的防真电路图
锯齿波发生部分的防真电路
数据处理和误差计算
（一）直流电压源
1.变压器的副边输出电压为15.6V理论U=15V
η1=（15.6-15）/15*100%=4%
2.整流滤波电压稳压管的输入电压均为20.5V理论U=20V
误差η2=（20．5-20）/20*100%=2.5%
3.稳压管输出电压UO1=+12VUO2=-11.9V理论UO1=+12VUO2=-12V
误差η3=（12-12）/12*100%=0
η4=（12-11．9）/12*100%=0.833%
（二）波形产生
1．输出波形频率围为200.42Hz－20.843KHz且连续可调。
2．正弦波幅值为2.0Ｖ
3．方波幅值为2.0Ｖ
4.三角波峰-峰值为2Ｖ，占空比可调．
η5=η6=η7=（2.0-2.0）、2.0*100%=0
误差分析
1.参数设计不够精确。
2.所选可调电阻的调节围太大，调节不够精确。
3.调试没能很精确，产生的波形还有细微的失真现象，记录数据时，读数不精确导致误差产生．
4.选用的实验元件存在系统偏差．
5.选用的实验元件受温度的影响，实验时间过长导致的误差产生.
6.集成运放不是理想运放，其运放性能指标对运算误差有影响。
7.焊点不均匀，或存在虚焊而引起误差。
改进该实验，减少实验误差的方法：
选取精确度较高的实验器件，在选择可变电阻时要考虑到其要调节的围，尽可能的选用与要用最大限度接近的可调电阻，在振荡电路中可调电阻最好用双滑式可调电阻
在调试过程中要尽可能的把波形调节到不失真，调节频率时用同轴电位器，这样不仅避免了调节困难，还能使调节的精确度更高．
七、结论与心得
通过该实验，我对RC振荡电路，滞回比较器，反向积分运算电路有了更进一步的了解，将课本上所学的抽象的理论知识运用于实验中，并加强了我的动手能力．
在做RC振荡电路的实验中，波形产生了交越失真，没有很好的达到要求。
让我了解最深的是，对方波产生电路，如果用单限比较器，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的变化，即其抗干扰能力差，所以我选择用滞回比较器，它使输出方波更理想。
在三角波、锯齿波输出时，可以通过调整R10,R12的阻值可以改变三角波、锯齿波的副值，通过调整R10,R12和Rw的阻值以及C的容量，可以改变振荡周期，调整电位器滑动端的位置，可以改变其占空比，以及锯齿波上升和下降的斜率，很好得实现要求。
为了做好这次课程设计，我想了几个方案。
通过比较分析后选取最佳方案进行电路设计，但在RC串并联选频网络R最好选用双联通滑阻器，才能更好地完成正弦波的输出，可是在市场上并没有卖到双联通滑阻器，使我在调节和测试输出正弦波带来一定得困难和误差。
由于所买稳压管电阻为6.2V而不是2V，所以方波幅值满足不了，我在方波的输出端引一条线串联一个可调电阻和一个固定电阻，通过调节可调电阻，这样可以很好的使输出端电压幅值满足要求。
最后，在今后的实验中严格要求自己，并学好的理论知识。
八、参考文献
1．童诗白华成英《模拟电子技术基础》高等教育
2.电子线路设计.实验.测试自美主编
3．毕满清编《电子技术实验与课程设计》机械工业大学
4．物理与电子信息学院《基础电路实验指导书》
5.《电子技术课程设计指导》，大学介华主编，高等教育
6.《电子线路设计应用手册》，友汉主编，科学技术（2000）
7.《电子技术基础实验研究与设计》，兆仁主编，电子工业（2000）。
1函数发生器的总方案及原理框图……………………………………………
（1）
1.1电路设计原理框图………………………………………
（1）
1.2电路设计方案设计…………………………………………
（1）
2设计的目的及任务………………………………………………………
（2）
2.1课程设计的目的……………………………………………
（2）
2.2课程设计的任务与要求……………………………………
（2）
2.3课程设计的技术指标………………………………………
（2）
3各部分电路设计…………………………………………………………（3）
3.1方波发生电路的工作原理…………………………………（3）
3.2方波---三角波转换电路的工作原理……………………（3）
3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理…………………（6）
3.4电路的参数选择及计算……………………………………（8）
3.5总电路图……………………………………………………（10）
4电路仿真…………………………………………………………………（11）
4.1方波---三角波发生电路的仿真……………………………（11）
4.2三角波---正弦波转换电路的仿真…………………………（12）
5电路的安装与调试………………………………………………………（13）
5.1方波---三角波发生电路的安装与调试……………………（13）
5.2三角波---正弦波转换电路的安装与调试…………………（13）
5.3总电路的安装与调试………………………………………（13）
5.4电路安装与调试中遇到的问题及分析解决方法…………（13）
6电路的实验结果…………………………………………………………（14）
6.1方波---三角波发生电路的实验结果………………………（14）
6.2三角波---正弦波转换电路的实验结果……………………（14）
6.3实测电路波形、误差分析及改进方法………………………（15）
7实验总结………………………………………………………………（17）
8仪器仪表明细清单………………………………………………………（18）
9参考文献…………………………………………………………………（19）
1．函数发生器总方案及原理框图
1.1原理框图
1.2函数发生器的总方案
函数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路或仪器。
根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器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8038）。
为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的方波—三角波—正弦波函数发生器的设计方法。
产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；
也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。
本课题采用先产生方波—三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法，
本课题中函数发生器电路组成框图如下所示：
由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。
差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。
特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。
2．课程设计的目的和设计的任务
2.1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
2.2设计任务
设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器
2.3课程设计的要求及技术指标
1．设计、组装、调试函数发生器
2．输出波形：
正弦波、方波、三角波；
3．频率围：
在10－10000Hz围可调；
4．输出电压：
方波UＰ－Ｐ≤24V，三角波UＰ－Ｐ＝8V，正弦波UＰ－Ｐ>
1V；
3．各组成部分的工作原理
3.1方波发生电路的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。
但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。
3.2方波---三角波转换电路的工作原理
方波—三角波产生电路
工作原理如下：
若a点断开，运算发大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，C1为加速电容，可加速比较器的翻转。
运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。
设Uo1=+Vcc,则
将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
比较器的门限宽度
由以上公式可得比较器的电压传输特性，如图3-71所示。
a点断开后，运放A2与R4、RP2、C2及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2为
时，
可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波，其波形关系下图所示。
a点闭合，既比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。
三角波的幅度为
方波-三角波的频率f为
由以上两式可以得到以下结论：
1.电位器RP2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出波形的幅度。
若要求输出频率的围较宽，可用C2改变频率的围，PR2实现频率微调。
2.方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。
三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。
电位器RP1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。
3.3三角波---正弦波转换电路的工作原理
三角波——正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成。
特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。
分析表明，传输特性曲线的表达式为：
式中
——差分放大器的恒定电流；
——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。
如果Uid为三角波，设表达式为
式中 Um——三角波的幅度；
T——三角波的周期。
为使输出波形更接近正弦波，由图可见：
（1）传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；
（2）三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。
（3）图为实现三角波——正弦波变换的电路。
其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。
电容C1,C2,C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。
三角波—正弦波变换电路
3.4电路的参数选择及计算
1.方波-三角波中电容C1变化（关键性变化之一）
实物连线中，我们一开始很长时间出不来波形，后来将C2从10uf（理论时可出来波形）换成0.1uf时，顺利得出波形。
实际上，分析一下便知当C2=10uf时，频率很低，不容易在实际电路中实现。
2.三角波-正弦波部分
比较器A1与积分器A2的元件计算如下。
由式（3-61）得
即
取
，则
，取
，RP1为47KΩ的点位器。
区平衡电阻
由式（3-62）
当
时，取
，为100KΩ电位器。
时，取
以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。
取平衡电阻
三角波—>
正弦波变换电路的参数选择原则是：
隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取
，滤波电容
视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，
可取得较小，
一般为几十皮法至0.1微法。
RE2=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。
差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R*确定。
3.5总电路图
三角波-方波-
升级会员 