设计制作一个产生正弦波方波三角波函数转换器.docx

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设计制作一个产生正弦波方波三角波函数转换器

模拟电路课程设计报告

设计课题:

设计制作一个产生正弦波\方波\三角波函数转换器

专业班级：

电信本

学生姓名：

学号：

　　47　　　

指导教师：

设计时间：

1月7日

设计制作一个产生正弦波－方波－三角波函数转换器

一、设计任务与要求

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；

5.分别用三个发光二极管显示三种波形输出；  

6.用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。

二、方案设计与论证

设计要求为实现正弦波-方波-锯齿波之间的转换。

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。

方案一:

方案一电路方框图如图1所示。

图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。

方案二:

方案二电路方框图如图2所示。

图2方案二方框图

方案二仿真电路如图3所示。

图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，我选择第二种方案。

三、单元电路设计与参数计算

（一）单元电路设计

1.正弦波发生器实验原理

（1）RC串并联选频网络。

取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4所示。

图4正弦波发生器仿真电路图

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5所示。

图5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6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7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6电压比较器电路图7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8所示。

图8正弦波—方波转换仿真电路图

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9所示。

图9方波—三角波转换器方框图

（1）积分运算电路

如图10所示。

图10积分运算电路

由于“虚地”，U-=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11所示。

图11正、反向积分时间常数可调电路

4.直流电源电路原理

直流电源电路方框图如图12所示。

图12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13所示。

图13直流电源电路仿真电路图

（二）参数计算

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。

2.RC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.方波电路的参数设计

根据设计要求方波幅值为2V，因此选择的稳压二极管可选用稳压为3.3V的，共两个。

3.三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。

四、总原理图及元器件清单

1.总原理图

直流电源原理图如图14所示。

图14直流电源原理图

波形转换原理图如图15所示

图15波形转换原理图

2.元件清单

元件序号

型号

主要参数

数量

备注（价钱）

变压器

15V

1

9元

三端稳压器

LM7812

1

1.2元

三端稳压器

LM7912

1

1.2元

电阻

68Ω、2K、10K

15K、1K

3、1、3

1、2

0.1元

芯片

Ua741

3

1.5元

电位器

5K、50K

2、1

0.5元

电位器

10K

4

0.5元

电容

0.22uf

3

0.5元

二极管

1N4007

10

0.1元

发光二极管

5

0.3元

稳压管

3.3V

2

0.25元

大号焊接板

1

2.0元

大电容

耐压35V以上

3300uf、220uf

2、2

0.5元

小电容

0.1uf、0.33uf

2、2

0.3元

导线

1

3元

五、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。

六、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）电子元器件存在缺陷，并不是标准数值，比如电阻电容不够理想等；

（4）电路之间的连线不是理想的，有电阻，使实验存在误差；

（5）由于实验者读数的随机性，从而造成偶然误差。

七、结论与心得

1.实验结论：

（1）通过调节10k电位器，可以改变正弦波的幅值；

（2）方波的幅值由稳压管稳压值决定。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

2.心得：

由于是第一次做课程设计，自己又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，提出了一些我们要注意的问题，自己心里就有底了。

我先是在网上查到了一些资料，然后我们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，我们开始做仿真电路图，想通过仿真结果来初步验证我们的设计电路，但让我吃惊是，一开始仿真失败了，我都弄了好几张电路图，依然没有波形出来，经过分析发现是由于软件的原因，集成块是没有用的，无法达到实际的效果，我还重装了软件，还是弄不出结果，我心里很着急，因为时间很紧，还要复习考试，最后我只好用其他集成块代替进行仿真，结果出来了波形，我又进行了参数验证，也符合要求，但是正弦波幅值不满足要求，我只好询问老师是否可行，老师没有为难我们，说幅值并不过分要求。

这样我们列好器件名单去市区买，但是稳压管没有稳2V的卖，只买了稳3.3V的。

买回器件后就开始焊电路板了，我先是按电路图进行布局，之后再焊接，用了一上午的时间才做完，由于是元旦假日，那天不能去调试，但我在寝室粗测有用。

到第二天上午我去调试，虽然有波形出来，但有些失真，而其他人的波形要么失真，要么就没有波形，我看了下她们的电路板，结果有些错误，经过改正之后就有波形了，我的因最后操作失误，把稳压管给烧了，只好回去换，第二天上午我们组都去了调试，我的正弦依然有些失真，而有些成员的波形也不够理想，但我们互相帮助，最终都调出来了，下午正式检测时，老师说我的电路板焊点不够好，布局也不是很理想，结果扣了两分，但我仍然很高兴，因为其他成员也都做的很成功。

建议：

首先是不要太在意仿真电路的结果，它只是一个虚拟的、理想状态下的环境，我因过分注重仿真结果，浪费了很多时间；再就是要早做准备，这次我们实在是时间好紧，测试和考试就差一天；第三就是可在方波的集成块加一个参考电压，这样波形就更好了。

八、参考文献

【1】《模拟电子技术基础》第四版童诗白与华成英主编,高等教育出版社.（2006）；

【2】《电子线路设计、实验、测试》（第二版）谢自美主编,华中理工大学出版社；

【3】《基础电子技术》蔡惟铮主编,高等教育出版社.（2004）；

【4】《电子线路》第四版谢嘉奎主编,高等教育出版社.（2002）

【5】《基础电子技术》蔡惟铮主编,高等教育出版社.（2004）；

【6】《使用电子电路设计与调试》陈梓诚主编,中国电力出版社.（2006）；

【7】《电子技术课程设计指导》彭介华主编,高等教育出版社.（1997）

物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表

专业：

电子信息工程班级：

电信本学号：

47姓名：

课题名称

设计制作一个产生正弦波\方波\三角函数转换器

设计任务与要求

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；

5.分别用三个发光二极管显示三种波形输出；  

6.用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。

设计报告成绩

评分标准：

有合理的方案设计和论证、电路参数的计算、总原理图和清单。

（0-20分）

电路板制作、调试规范，有详细制作和调试过程。

（0-10分）

电路板测试合理，对性能指标测试数据完整，正确；进行数据处理规范，进行了误差计算和误差分析。

（0-15分）

对课程设计进行了总结，有体会，并能提出设计的改进、建设性意见。

（0-5分）

设计报告成绩：

电子

作品成绩

评分标准：

电路正确，能完成设计要求提出的基本功能。

（0-30分）

电路板焊接工艺规范，焊点均匀，布局合理。

（0-20分）

（其中直流电源部分占20%，功能部分80%）

电子作品成绩：

课程设计成绩

总成绩：

指导教师：

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