正弦波方波三角波.pdf

1 课程设计名称： 设计制作一个方波三角波 正弦波锯齿波发生器 摘要 函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含 方波） 、正弦波的电路。该电路可为实验室提供波形频率范围为0.02Hz20kHz， 幅值 2v 的稳定信号源。大大降低了实验成本，有效的简化了实验的操作步骤， 是实验室小型电路信号发生器的理想所选，具有广泛的应用价值。 此信号发生器采用模块化结构， 主要由以下三个模块组成， 即正弦波发生器 模块、方波发生器模块、三角波发生器模块。在设计此函数信号发生器时，采用 模块化的设计思想，使设计起来更加简单、容易、条理清晰。同时调试起来也更 容易。 经过一系列的分析、准备，本次设计除在美观方面处理得不够得当之外, 完 成了全部的设计要求。 关键词 ： 函数信号发生器、 LM324、 集成运算放大器、晶体管差分放大 2 目录 前言22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 4 第一章函数发生器的设计要求 2222222222222222222222222222222222222 5 1.1 波形发生器的特点及应用2222222222222222222222222222222222 5 1.2 设计任务及要求222222222222222222222222222222222222222222 5 第二章 电路设计原理及单元模块22222222222222222222222222222222222 6 2.1 设计原理2222222222222222222222222222222222222222222222222 6 2.1 单元模块2222222222222222222222222222222222222222222222222 6 2.1.1 RC 选频振荡模块222222222222222222222222222222222222222 6 2.1.2 过零比较器2222222222222222222222222222222222222222222 8 2.3.3 产生三角波模块2 2222222222222222222222222222222222222222 9 第三章安装与调试 2222222222222222222222222222222222222222222222 12 3.1 电路的安装22222222222222222222222222222222222222222222222 12 3.2 电路的调试22222222222222222222222222222222222222222222222 12 3.2 电路的分析22222222222222222222222222222222222222222222222 13 结 论 2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 14 参考文献 22222222222222222222222222222222222222222222222222222222 14 附 录一222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 15 附 录二222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 16 3 前言 科学技术是第一生产力。三次工业革命使我们的社会发生了翻天覆地的变 化，使我们由手工时代进入了现代的电器时代。同时科技在国家的国防事业中发 挥了重要的作用， 只有科技发展了才能使一个国家变得强大。而作为二十一世纪 的主义，作为一名大学生， 不仅仅要将理论知识学会， 更为重要的是要将所学的 知识用于实际生活之中，使理论与实践能够联系起来。 波形发生器在实际生活中有很重要的作用，影响着科技的发展， 在当今社会 又好又快的生活方式是人们所向往的，因此作为一名学习知识的青年， 应该学好 基础知识， 设计出是人民满意的东西， 产出人性化和自能化的电子产品，另一方 面电子产品不断的更新，需要我们更加扎实的基础。 本设验主要完成正弦波 - 方波- 三角波之间的转换， 在调节滑动变阻器的阻值 时产生不同的波形， 当电阻调大或调小都会影响其波形的失真，由RC 选蘋振荡电 路产生正弦波，用过零比较器产生方波，方波的基础上有两种方法产生三角波， 一种是通过积分电路产生三角波，另一种通过低通滤波，两种电路各有所长。 整个电路的设计借助于multisim 2010仿真软件和数字逻辑电路相关理论 知识，并在 multisim 2010下设计和进行仿真，得到了预期的结果。 4 第一章波形发生器设计要求 1.1 波形发生器的特点及应用 随着社会文明的进步和科学技术的发展，先进的电子技术在各个近代学科门 类和技术领域中占有不可或缺的核心地位。在我国现代化建设的发展进程中，电 子技术在国民经济和科学研究各个领域的应用也越来越广泛。而波形发生器恰恰 是电子技术中的一个重要组成部分。 该波形发生器结构简单且制作方便使用范围广，具有连续可调的波形频率， 其波形幅值稳定。 该波形发生器因其结构简单因此消耗电量低且携带方便，能够 极大的满足我们实验要求。 1.2 设计任务及要求 1.2.1 基本要求： 输出波形频率范围为0.02Hz20kHz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； 设计电路所需的直流电源可用实验室电源。 1.2.2 设计任务及目标： （1）根据原理图分析各单元电路的功能； （2） 熟悉电路中所用到的各集成芯片的管脚及其功能； 5 （3） 进行电路的装接、调试，直到电路能达到规定的设计要求； （4） 写出完整、详细的课程设计报告。 第二章电路设计原理与单元模块 电路设计原理：为了能够产生方波、正弦波、三角波、锯齿波，我们在电路 的设计中运用了波形的转换。以正弦波- 方波-三角波（锯齿波）转换为思路，设 计电路。因此在设计电路时，充分考虑到它们的相互转换，电路由三部分组成， 第一部分通过 RC选频振荡产生正弦波，第二部分在正弦波发生的基础上，通过 过零比较器产生方波， 第三部分在方波的基础上产生三角波，因为方波变三角波 有两种方案： （1）方波通过低通电路产生三角波。 （2）方波通过积分电路产生三 角波。在方波占空比可调的情况下，则通过调节方波占空比，可得到锯齿波。 21 单元模块 信号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信号发生 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 ) 。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， 通过波形转换得到各种输 出波形。 由 RC桥式振荡电路得到正弦波，再通过过零比较器，从而得到方波。最后 由积分电路， 得到三角波。 而因为方波占空比可调， 因此通过占空比的调节得到 锯齿波。 2.1.1 RC 选频振荡模块 RC桥式振荡电路及工作原理 RC桥式正弦振荡电路如下图所示。其中R1、C1和 R2、C2为串、并联选频 RC 正弦波发生器过零比较器积分电路 6 网络，接于运算放大器的输出与同相输入端之间，构成正反馈， 以产生正弦自激 振荡。 R3、RW 及 R4组成负反馈网络，调节RW 可改变负反馈的反馈系数，从 图 2.1.1 RC桥式振荡电路 而 调 节 放 大 电 路 的 电 压 增 益 ， 使 电 压 增 益 满 足 振 荡 的 幅 度 条 件 。 1+Rf/R3=3为了保证电路起振1+Rf/R33， Rf=Rw+ （R4/r D） ， 当 R1=R2=R时， C1=C2=C 时。 电路的振荡频率： f=1/2RC ，起振的幅值条件： Rf/R22。 为了使振荡幅度稳定， 通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自 动调整负反馈放大电路的增益， 从而维持输出电压幅度的稳定。 图中的两个二极 管 D1 ，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二 极管 D1、D2截止，负反馈系数由R3 、RW 及 R4决定；当输出电压的幅度增加到 一定程度时，二极管 D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负 反馈系数加大， 电压增益下降。 输出电压的幅度越大， 二极管的动工作原理及电 路图态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。 为了维持振荡输出， 必须让调整电阻 RW （即改变了反馈 Rf） ，使电路起振， 且波形失真最小。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当加大Rf，如波形失 真严重，则应适当减少Rf。 改变选频网络的参数C 或 R ，即可调节振荡频率。一般采用改变电容C 作频率量程切换（粗调） ，而调节 R作量程内的频率细调。 7 RC振荡电路 采用 RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振 荡，一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。因为对于RC振荡电路来说，增 大电阻 R即可降低振荡频率，而增大电阻是无需增加成本的。 常用 LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振 荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨 重、安装不便，而且制造困难、成本高。因此，200kHz 以下的正弦振荡电 路，一般采用振荡频率较低的RC振荡电路。常用的RC振荡电路有相移式 和桥式两种。 (1) RC 移相式振荡器，具有电路简单，经济方便等优点，但选频作用 较差，振幅不够稳定，频率调节不便，因此一般用于频率固定、稳定性要 求不高的场合。其振荡频率是 fo=1/2 RC (2)RC桥式振荡器将 RC串并联选频网络和放大器结合起来即可构成RC 振荡电路，放大器件可采用集成运算放大器。 如图 2.1.2所示， RC串并联选频网络接在 运算放大器的输出端和同相输入端之间，构成 正反馈， Rf、R1接在运算放大器的输出端和反 相输入端之间，构成负反馈。正反馈电路和负 反馈电路构成一文氏电桥电路，运算放大器的 输入端和输出端分别跨接在电桥的对角线上，所以，把这种振荡电路称为 RC桥式振荡电路。 （如图 2.1.2 ）振荡信号由同相端输入，故构成同相放大器，输出电压 Uo与输入电压Ui 同相，其闭环电压放大倍数等于Au=Uo/Ui=1+(Rf/R1) 。而 RC 串 并联 选 频 网 络 在 = o=1/RC 时 ，Fu=1/3, f=0 ° ，所 以 ， 只 要 8 |Au|=1+(Rf/R1)3, 即 Rf2R1,振荡电路就能满足自激振荡的振幅和相位起 振条件，产生自激振荡，振荡频率fo 等于 fo=1/2 RC 2.1.2 过零比较器工作原理及电路图 在实用电路中为了满足负载的需要，常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适 的UOH和UOL，如图 2.1.4所示。图中 R为限流电阻，两只稳压管的稳定电压均应小于集成运放的最大 输出电压 UOM。设稳压管 DZ1的稳定电压为 UZ1，稳压管 DZ2的稳定电压为 UZ2，UZ1和UZ2的正向导通电压 均为UD。 当uI0时，由于集成运放的输出电压u / O=-UOM，DZ2使工作在稳压状态，DZ1工作在正向导通状态， 所以输出电压 u O=U OL=-（UZ2+U0）两只稳压管稳压值相同。若要求， UZ1=UZ2则可以采用两只特性相同 而又制作在一起的稳压管，其符号如图(b)所示，稳定电压标为±UZ。 当uI0时， u O=UOL=-UZ。 方波产生原理：由正弦波通过过零比较器转化为方波，稳压管有限幅的作用，使其输出的信号 通过稳压管的作用，产生方波，而且可以按照要求控制在2V左右。 在正弦波到三角波之间接了一个3K电阻，促进其平衡，还使用了IN4735 2V 的稳压管达到题目 的要求，同时还使用了外接电源+15V ，-15V 。 基于满足 稳定电压两伏，因此就接了一个两伏的稳压管；由于正弦 波到方波需要一个过零比较器，之间就接了 一个3k 欧 的电阻，产生 2V稳定的方波。 9 图 2.1.4滞回比较器 2.1.3 三角波产生模块 三角波的稳定电压均应小于集成运放的最大输出电压UOM。设稳压管 DZ1的稳 定电压为 UZ1，稳压管 DZ2的稳定电压为 UZ2，UZ1和 UZ2的正向导通电压均为UD。 当 uI0时，由于集成运放的输出电压u / O=-UOM，DZ2使工作在稳压状态， DZ1工 作在正向导通状态，所以输出电压 U0=UOL=-（UZ2+UD ） 若要求， UZ1=UZ2则可以采用两只特性相同而又制作在一起的稳压管，稳定电压标 为±UZ。 当 uI0时，U0=UOL=-UZ。 三角波信号产生原理： 在方波发生电路中， 当滞回比较器的阀值电压数值较小时，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，在其输出就得到三角波电压，如图 2.1.5 所示。当方波发生电路的输出电压 U01=+Uz时，积分运算电路的输出电压Uo将线性下降；而当U01=-UZ时，U0将线性 上升；波形如图 2.1.6 所示。 10 图 2.1.6 波形分析 而在占空比调整上的设计有下列两种思路： 1、频率（周期）不变，脉宽改变，其方法如下： 改变电平的幅度，亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度，即可达 到改变脉宽而频率不变的特性，但其最主要的缺点是占空比一般无法调到2 0% 以下，导致在采样电路实验时，对瞬时信号所采集出来的信号有所变动， 如果要将此信号用来作模数（A/D) 转换，那么得到的数字信号就发生变动 而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。 2、占空比变，频率跟着改变，其方法如下： 将方波产生电路比较器的参考幅度予以固定（正、负可利用电路予以 切换），改变充放电斜率，即可达成。 这种方式的设计一般使用者的反应是“难调”，这是大缺点，但它可以 产生 10% 以下的占空比却是在采样时的必备条件。 2.1.3. 对照采用了两种积分电路 方案1：采用了低通产生三角波器电路图如下： 图 2.1.7 方案 2：采用了积分电路，电路图如下所示： 11 图 2.1.8 就电路的设计而言，除应用转换器原理外，还可利用单独的波形发生电路， 制作发生器。即以单个发生电路分别产生方波、三角波、正弦波、锯齿波，但由 于此类方法对元器件消耗较大，并且在焊接上也相对比较麻烦。因此，本方案采 用的是，利用波形转换的原理设计函数信号发生器。 第三章安装与测试 3.1 电路的安装 电路安装要注意几个原则： 1. 先矮后高、先小后大、先放耐焊元器件等； 2. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用； 3. 最好分模块安装。此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现 过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停 留太久； 4在焊接的时候要注意尽量少用导线连接电路，用焊锡丝连接电路，使作 品更为美观； 5. 在布局上要合理的安排电路。 12 3.2 电路的调试 调试时应小心谨慎， 电路安装完毕后， 首先应检查电路的电源线和地线的走 向，防止因为电源线或地线接错而导致烧坏芯片或者是电源等现象。然后接电调 试。如果遇到问题，则应该根据产生的问题，加上对原理图的分析，首先找到可 能出错的地方，在调试过程中先要接好线，特别是接电源线，一个是正15V，另 一个是 -15V，而且在接线时接地端要连接好，要连接在一起， 在接正弦波产生电 路时，我们可能需要通过调节滑动变阻器的阻值来改变输出信号的波形，在调节 时要均匀的调， 不能太快， 容易失真， 而且在检查电路时应尽量用万用表测量每 一个支路是否导通或是有存在虚焊现象，在保证每一条支路导通的情况下，才能 得到想要的结果。因为要是fo=1/2 RC，因此为我们在电路中将定值电阻换 成了滑动变阻器。从而使得达到调节频率，及调节占空比的效果。 在各部分电路中，都连接有滑动变阻器，便于频率及对失真等状况的 调节。特别在三角波转换部分，通过滑动变阻器对方波占空比的调节。则 可在三角波的基础上，通过调节得到锯齿波。相对独立发生电路而言，这 样更加简化了电路。 3.2 电路的分析 本电路是通过产生正弦波方波三角波三种波形转换而来的，由RC选频振荡 产生正弦波， 而正弦波通过过零比较器转换为方波，方波通过积分电路， 最后产 生三角波，前后频率保持一致， 电路要产生 2V的稳压方波，就需要 2V的稳压管， 同时在外面还要加上 +15V和-15V 电源，从而保证有足够的电压，通过全过程的 布局，实验出现的结果，产生了正弦波，出现了方波，三角波。根据分析原理， 通过方波占空比的调节可得到锯齿波。但在我们制作的成品中， 可能是由于滑动 变阻器的调节范围有限， 并且存在理论与实际的差距， 未能够得到较良好的锯齿 波。在以后的应用和设计当中，是个需要加以改进的方面。 13 结 论 本设计主要通过模块化思想，逐步实现设计所需达到的功能要求： 产生正弦波模块主要由RC选频振荡组成，由正弦波变方波，是通过一个过 零比较器产生的， 用了一个 2V的稳压管， 使其得到 2V电压的方波。 方波通低积 分电路转换成三角波，最后由对方波占空比的调节，得到锯齿波。 此次课程设计采用的电路原理基于模拟电子电路的基本知识，模块化的设 计理念是此次设计的亮点， 通过滑动变阻器使作品调试现象十分直观。只是存在 滑动变阻器调节不到位的情况， 使得影响了实验结果， 导致可能不出现波形或出 现的波形失真情况。该波形转换的优点就像上述所说的是便于调节和元件简单， 但缺点就是稳定性较差。 产生正弦波主要还是要选好电阻和电容，这样可以确定其周期， 我们在本次 课程设计实验中，成功的得到了正弦波、方波、三角波。但是，在锯齿波的发生 上出现了些错误。 参考文献 1 童诗白 . 模拟电子技术基础（第五版）M. 北京：高等教育出版社，2005 2 谢自美 . 电子技术基础实验与课程设计M. 北京：电子工业出版社，2006 4 沈精虎，电路设计与制板M ，北京，人民邮电出版社，2007 5 邱关源，罗先觉，电路 M ，北京，高等教育出版社。1999. 14 附录一元器件清单 附录二方案总原理图 信号发生器原理图1 序号元件型号数量 1 电阻10K 5 2 电阻1K 1 3 电阻100K 1 4 滑动变阻器1M 3 5 滑动变阻器10K 1 6 稳压管2V 2 7 1N4148 4 8 LM324 1 9 电容0.1uF 2 10 电容0.01uF 1 11 电路板1 12 导线若干 15 16 信号发生器原理图2 LM324 示意图 17 18