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1、课 程 设 计 报 告 课程名称:应用电子技术基础课设 设计题目:方波 / 三角波振荡电路 系别:机械工程与应用电子技术学院 专业:测控技术与仪器 班级:131 班 学生姓名 : 郭成成 学号:11013108 指导教师 :肖日东 2014 年月日 目录 1摘要 . 错误!未定义书签。 2 方波/ 三角波振荡电路方案. 2 2.1 原理框图 2 3各组成部分的工作原理 4 3.1 方波发生电路的工作原理 4 3.2 方波- 三角波转换电路的工作原理 5 3.3 总电路图 . 错误!未定义书签。 4. 用 Multisim10电路仿真 . 11 4.1 输出方波电路的仿真 . 11 4.2 三角
2、波电路的仿真 . 12 5. 电路的制作及实验测试 . 6仪器仪表清单 . 14 7参考文献 . 15 8. 收获和体会 错误!未定义书签。 1 摘要 在人们认识自然、改造自然的过程中,经常需要对各种各样的电子信号进行测量, 因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求,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。信号源主要给被测电路提供所需要的已知 信号(各种波形 ),然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和实 验测试处理中,它不是测量仪器,而是根据使用者的要求,作为激励源,仿真各种测试 信号,提供给被测电路,以满足测量或各种实际需要。 波形发生
3、器就是信号源的一种,能够给被测电路提供所需要的波形。传统的波形发 生器多采用模拟电子技术,由分立元件或模拟集成电路构成,其电路结构复杂,不能根 据实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展,运用单片机技术,通过巧妙的软件设计 和简易的硬件电路,产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与 现有各类型波形发生器比较而言,产生的数字信号干扰小,输出稳定,可靠性高,特别 是操作简单方便。 本电路为方波 /三角波振荡电路,在uo1输出端输出方波信号。在uo2输出端输出三 角波信号。该电路的大致原理是通过将滞回电压比较器的输出信号通过RC电路反馈到 输入端,即可组成矩形波信号发生器。然而,三角
4、波电路由方波电路演化而来,方波电 压经过积分电路产生三角波。其优点是制作成本低,电路简单,使用方便,频率和幅值 可调,具有实际的应用价值。 该电路可延伸为函数(波形)信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形 (正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等)信号,频率范围可从几个微赫到几十兆 赫函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途 作为测控专业的学生,对方波三角波振荡电路的设计,仿真,制作已成为最基本的 一种技能,也是一个很好的锻炼机会,是一种综合能力的锻炼,它涉及基本的电路原理 知识,仿真软件的使用,以及电路的搭建,既考验基础知识的掌握,又锻练动手能力。 2 2 方波、三角波
5、方案 2.1 原理框图 - + + +15V -15V N 1 + + - +15V -15V N 1 R1 10k R 2 6.8k R4 R 3 3.9k R 6 150k R5 150k C 1 20k u o2 u o1 0.1 F ZD 1 ZD 2 6V W 10k 图 1 方波/ 三角波振荡电路的原理框图 该电路由第一级N1组成迟滞电压 比较器 ,输出电压 uo1为对称的方波信号。 第二级 N2组成积分器,输出电压u。为三角波信号。通过改变方波的占空比不仅可以得到锯齿 波,还可得到额外的矩形波。然后将各种信号通过比例放大电路得到需要幅值;峰峰值 的信号波 该电路用的是 UA741
6、 高增益运算放大器, uA741I,uA741M,uA741C(单运放) 用于工业,军事,和商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁 自由运作。这些类型还具有广泛的共同模式,差模信号范围和低失调电压调零能力 与使用适当的电位。 uA741I,uA741M,uA741C(单运放)芯片引脚和工作说明如下: 电压比较器电路 方波 积分电路 锯齿波 积 分 电 路 三角波 3 1 和 5 为偏置 (调零端 ),2 为正向输入端, 3 为反向输入端, 4 接地,6 为输出, 7 接电源 8 空脚。 4 3各组成部分的工作原理 3.1 方波发生电路的工作原理 图 6 滞回比较器图 7 电压传
7、输特性 方波工作原理: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,R1 和 R2 构成正反馈,运算放大器当 UpUc 时工作在正饱和区, 而当 UcUp 时工作在负饱和区。从电路结构可知,当输入电压U小于某一负值电压时,输出电压 U。 = -UZ; 当输入电压 U大于某一电压时, uo= +UZ。 又由于“虚断” 、“虚短”Up=Uc=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 u
8、i=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。 单一的方波电路由反相输入的滞回比较器和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+Uz,此时滞回电压比较器的门限电压为UTH2。 输出信号通过 R 对电容 C正向充电, 5 充电波形如图 3 箭头所示。当该电压上升到TH2 时,电路的输出电压变为UZ,门限 电压也随之变为 UTH1,电容 C1 经电阻 R 放电。当该电压下降到 TH时输出电压又 回到+Uz,电容又开始正相充
9、电。上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。 图方波信号发生波形 3.2 方波- 三角波转换电路的工作原理 电路组成: (1)积分运算电路 积分运算电路如图10所示 充放电波形 UTH2 UTH1 O 6 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:; = 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。 3.3 整体原理概述: 如图 1 所示为由集成运放构成的方波和三角波发生器电路 ,如图 2 所示为由集成运 放构成的方波和三角波发生器的输出波形图。 在图 1 所示的电路中, 第
10、一级 N1组成迟滞电压 比较器 ,输出电压 uo1为对称的方波 信号。第二级 N2组成积分器,输出电压u。为三角波信号。 - + + +15V -15V N 1 + + - +15V -15V N 1 R 1 10k R 2 6.8k R 4 R 3 3.9k R6 150k R 5 150k C 1 20k u o2 u o1 0.1 F ZD 1 ZD 2 6V W 10k (1) 7 (2) 下面简述此方波三角波发生器电路的工作原理。 设稳压管 的稳压值为 Uz,则电压比较器输出的高电平为+Uz,低电平为 Uz,由图 1 可得, N1同相端的电压为 14 010 1414 14 0 14
11、14 () Z RR UUU RRRR RR UU RRRR 由于此电压比较器的u=0,令 u0,则可求得电压比较器翻转时的上、下门限电位分 别为 8 1 4 1 4 3 3 6 mhZ mlZ mmhml R EUV R R EUV R EEEV 门限宽度为 比较器输出 Uz经电位器 RP分压后,加到积分器的反相输人端。 设分压系数为 n,则积 分器输入电压为 nUz,反相积分器的输出电压为 0 0 5 1 4 11 10111 454 337 15 13 4 1 ( )() 0(0)3 6 ( )3 0.015 44 10 10150 1010 20.06 0.520 10 t Zml m
12、lZ Z ZZ UtnUdtE RC R tUEUV R RnURn tttUtUt RRCR RRC Tts nR 当时,有 当时,U 所以得出,方波,三角波周期为: 依据上述原理,得出以下计算结果: 9 1414 0100 14141414 1 4 1 4 0 0 5 1 4 11 10111 454 () 3 3 6 1 ( )() 0(0)3 6 ( ) 0.015 Z mhZ mlZ mmhml t Zml mlZ Z ZZ RRRR UUUUU RRRRRRRR R EUV R R EUV R EEEV UtnUdtE R C R tUEUV R RnURn tttUtUt RRC
13、R 当时,有 当时,U 337 15 13 4 3 44 10 10150 1010 20.06 0.520 10 RRC Tts nR 思考题: 1怎样修改电路才能改变输出方波的振幅? 2有几种办法可以改变输出信号的频率? 3如何修改电路可使uo2输出锯齿波信号? 答: (1)改变 Uz可改变输由电压u01的幅度; (2) 改变 R1/R2的比值,可改方波、三角 波的周期或频率,同时影响三角波输出电压的幅度,但不影响方波输出电压的幅度;改 变而和 RC,可改变频率,而不影响输出电压的幅度;(3)积分电路的反相输入端电阻r3 分为两路,使正,负向积分时间常数大小不同,故两者积分速率不等。具体电
14、路及模拟 如下: 10 得到的锯齿波形如下图: 11 4. 用 Multisim10 电路仿真 4.1 输出方波电路的仿真 用 Multisim10 电路仿真软件进行仿真。从Multisim10 仿真元件库中调出所需元件, 按电路图接好线路,方波输出端接一个虚拟的示波器,接通电源后,可得如图10 所示 的输出方波仿真图。 图 10 输出方波电路的仿真 12 4.2 三角波电路的仿真 方法同输出方波电路的仿真方法,将线接到u 即可得图 11 所示的方波转三角波波 形仿真图。 图 11输出三角波电路的仿真 13 整体模拟电路图 (注:稳压二极管选择6.2v 约等于 6v) 由整体电路及模拟分析UZ
15、本应该为 6v, 但因选择 6.2v 的稳压管,再加上有一定的误差, 因 此 , 模 拟 出 来 的 是 方 波 为 幅 值 为6.575v, 三 角 波 幅 值 为3.267v, 满 足 14 U(0)=R(1)/R(4)*U(Z)=3v,如图,周期约为 61.299ms约等于 0.06s. 所以,模拟值基本 符合理论值。 5电路的制作及实验测试 6仪器仪表清单 元件清单如表 1 所示 元件序号型号主要参数 数量 备注(价钱) 电阻6.8k 、10 k、 20k ,150 k、3.9 k 1、1、1 1、1 0.1 元 芯片UA741 2 1.5 元 15 滑动变阻器150 k1 0.5 元
16、 电容100nf 1 0.5 元 稳压管3.3V 2 0.25元 焊接板1 2.0 元 导线1 3 元 表 1 元件清单 7参考文献 施良驹集成电路应用集锦电子工业出版社,1988,6 何希才,白广存最新集成电路应用300 例科学技术文献出版社,1995 庄效恒,李燕民模拟电子技术机械工业出版社,1998,2 8收获及体会 通过这次实践课程的学习、设计、及电路搭建,使我我感触颇深。让我对抽象的理论有了具体 的认识。通过对方波/三角波的设计,我掌握了常用元件的识别和测试;熟悉了常用的仪器仪表;了 解了电路的连接、搭建方法;以及如何提高电路的性能等等。 我还深刻的体会到如何去自己解决实际问题,而且
17、通过对此课程的设计,我不但知 道了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解 了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。也明白老师为什么要求我们做好这个课程设 计的原因。他是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手 能力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中,我个人感觉调试部分是最难的,因为 你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数,我们必须通过观察效果来改变参数的 数值以期达到最好。而参数的调试是一个经验的积累过程,没有经验是不可能在短时间 内将其完成的,而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧! 在实验过程中, 我遇到了不少的问题。 比如:波形失真,甚至不出波形这样的问题。 在老师和同学的帮助下,把问题一一解决,那种心情别提有多高兴啦。实验中暴露出我 们在理论学习中所存在的问题,有些理论知识还处于懵懂状态,老师们不厌其烦地为我 调整波形,讲解知识点,实在令我感动。因此,要感谢老师同学的帮助。 16
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