课程设计——波形发生器要点.pdf
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1、1. 概述 波形发生器是一种常用的信号源,广泛地应用于电子电路、自动控 制系统和教学实验等领域。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。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。通过对函数波形发生器 的原理以及构成分析,可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函 数波形发生器。本课程采用采用RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分 电路共同组成的正弦波方波三角波函数发生器的设计方法。先通过 RC正弦波振荡电路产生正弦波,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。 简易波形发生器 1 2设计方案 采用 RC正弦波振荡电
2、路、 电压比较器、 积分电路共同组成的正弦波 方波三角波函数发生器的设计方法。先通过 RC正弦波振荡电路产生 正弦波,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。 文氏桥振荡器产生正弦波输出, 其特点是采用 RC串并联网络作为选频和 反馈网络,其振荡频率f=1/2 RC.改变 RC的值,可得到不同的频率 正弦波信号输出。用集成运放构成电压比较器,将正弦波变换成方 波输出。用运放构成积分电路,将方波信号变换成三角波。 原理框图如图2-1 图 2-1 设计方案一框图 文氏桥振荡器方波形成电 路 三 角 波 形 成电路 频率选择控制 直流电源 简易波形发生器 2 3. 设计原理 3.1 正
3、弦波产生电路 正弦波由 RC桥式振荡电路(如图3-1 所示) ,即文氏桥振荡电路产 生。文氏桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点而大量应用 于低频振荡电路。正弦波振荡电路由一个放大器和一个带有选频功能的 正反馈网络组成。其振荡平衡的条件是AF1 以及a+f=2n。其中 A为放大电路的放大倍数, F 为反馈系数。振荡开始时,信号非常弱,为 了使振荡建立起来,应该使AF略大于 1。 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
4、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 3 1 1 R Rf Av (Rf=R2+R1/D1/D2 ) 且振荡产生正弦波频率 Rc f 2 1 0 图中 D1、D2的作用是,当 Vo1幅值很小时,二极管D1、D2接近开 路,近似有 Rf9.1K2.7K11.8K, , Av=1+Rf/R1=3.3=3,有利于起振; 反之当 Vo的幅值较大时, D1或 D2导通,Rf 减小,Av随之下降, Vo1幅 值趋于稳定。 简易波形发生器 3 3-1 正弦波产生电路 3.2 正弦波方波产生电路 如图,Vo1 为正弦信号输入,
5、经过迟滞比较器 u2 后输出方波 Vo2。电 路工作原理:运放同相端接基准电压,即U+=0,反相端输入电压 Vo1,R8 称为平衡电阻。 当比较器的 U+=U-=0时,输出 Vo2从高电平跳到低电平 , 或从低电平跳到高电平。此时 Vo2 7 6 VVo1 R R th 由于 Vo2=Vz,可得上、下门限电压为 Vz 7 6 V R R tVz 7 6 V R R t 正弦波输入信号Vo1在上升到 Vt+之前,Vo2保持不变,超过 Vt+后 Vo2翻转,直到 Vo1下降到 Vt- ,Vo2再翻转,如此反复便形成Vo2方波 输出。 简易波形发生器 4 图 3-2 正弦波三角波产生电路 3.3 方
6、波三角波变换电路 图 3-3 方波三角波变换电路 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 简易波形发生器 5 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
7、t 趋于无穷大时, Un趋于-Uz;但是,一旦 Un0,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)U02m T=2R6(R6+RW)C3R7 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
8、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 21 422 1 () OO UUdt RRP C 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 调的三角波 . 经计算,如果选R6=1k,则 R7=10K, C=100nF. 三角波图与方波图3-4 所示: 图 3-4 方波与三角波 简易波形发生器 6 3.4 正弦波方波三角波发生电路 图 4-5 完整波
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