1、課題三 多種波形發生器的設計與制作方波、三角波、脈沖波、鋸齒波等非正弦電振蕩信號是儀器儀表、電子測量中最常用的波形，產生這些波形的方法較多。本課題要求設計的多種波形發生器是一種環形的波形發生器，方波、三角波、脈沖波、鋸齒波互相依存。電路中應用到模擬電路中的積分電路、過零比較器、直流電平移位電路和鋸齒波發生器等典型電路。通過對本課題的設計與制作，可進一步熟悉集成運算放大器的應用及電路的調試方法，提高對電子技術的開發應用能力。1、 設計任務設計并制作一個環形的多種波形發生器，能同時產生方波、三角波、脈沖波和鋸齒波，它們的時序關系及幅值要求如圖3-3-1所示。 圖3-3-1 波形圖設計要求： 四種波

2、形的周期及時序關系滿足圖3-3-1的要求，周期誤差不超過。 四種波形的幅值要求如圖3-3-1所示，幅值誤差不超過。 只允許采用通用器件，如集成運放，選用F741。要求完成單元電路的選擇及參數設計，系統調試方案的選取及綜合調試。2、 設計方案的選擇由給定的四種波形的時序關系看：方波決定三角波，三角波決定脈沖波，脈沖波決定鋸齒波，而鋸齒波又決定方波。屬于環形多種波形發生器，原理框圖可用3-3-2表示。 圖3-3-2 多種波形發生器的方框圖仔細研究時序圖可以看出，方波的電平突變發生在鋸齒波過零時刻，當鋸齒波的正程過零時，方波由高電平跳變為低電平，故方波發生電路可由鋸齒波經一個反相型過零比較器來實現。

3、三角波可由方波通過積分電路來實現，選用一個積分電路來完成。圖中的uB電平顯然上移了+1V，故在積分電路之后應接一個直流電平移位電路，才能獲得符合要求的uB波形。脈沖波的電平突變發生在三角波uB的過零時刻，三角波由高電平下降至零電位時，脈沖波由高電平實跳為低電平，故可用一個同相型過零比較器來實現。鋸齒波波形仍是脈沖波波形對時間的積分，只不過正程和逆程積分時常數不同，可利用二極管作為開關，組成一個鋸齒波發生電路。由上，可進一步將圖3-3-2的方框圖進一步具體化，如圖3-3-3所示。圖3-3-3 多種波形發生器實際框圖器件選擇，設計要求中規定只能選用通用器件，由于波形均有正、負電平，應選擇由正、負電

4、源供電的集成運放來完成，考慮到重復頻率為100Hz(10ms),故選用通用型運放F741（F007）或四運放F324均可滿足要求。本設計選用F741。其管腳排列及功能見附錄三之三。3、 單元電路參數設計（1）方波產生電路反相型過零比較器 選擇電路如圖3-3-4所示。圖中，A1工作于開環，R1為運放輸入端保護電阻取R1=10K，R2為穩壓二極管的限流電阻，取值一般在（13）K之間，取R2=1K。因UA幅值為5V，故輸出端接兩只穩壓二極管使輸出高、低電平在5V左右，查晶體管手冊，選用穩壓二極管為2CW53（UZ=4.05.8V）兩只。必要時可通過晶體管圖示儀進行挑選，以滿足幅值要求。 圖3-3-4

5、 反相型過零比較器電路（2）三角波產生電路基本積分電路選擇電路如圖3-3-5所示，圖中與C1并聯的1M電阻主要是為了減小積分漂移，取值應大于R3。 圖3-3-5 積分電路由波形圖知，當uA為高電平5V，經過積分電路在5ms時間內，應下降4V，故參數計算如下：由積分電路知：*UA*=UBm, 即50.005=4 w 得 R3C1=6.2510s取C1=0.1uF , 則 R3=62500 取R3=62K，R4=R3=62 KUB的波形如圖3-3-6。圖3-3-6 積分電路輸出波形圖（3）直流電平移位電路 將圖3-3-6的UB波形與圖3-3-1的UB波形比較，為了得到UB的波形，必須將UB波形上移

6、3V，由直流電平移位電路來實現，如圖3-3-7所示。 圖3-3-7 直流電平移位電路若取R5=10K, Rp1=10K時，A3的腳為零電平，調Rp1活動端使RP1減小，電平上升。由于C2的隔直作用，只需將腳電平設置在+1V，與UB疊加。A3為電壓跟隨器，UB與腳波形相同。由上，取R5=10K，RP1為10K電位器，C1取10uF。（4）脈沖波電路設計同相型過零比較器選擇電路如圖3-3-8所示。圖中，取R6=10K，R7=1K，當uB>0V,A4的腳輸出高電平，D1、D2導通并鉗位，若取兩只硅二極管串取，可得uC=1.4V。若UB<0,腳輸出低電平接近-Vcc，D1、D2截止，穩壓管

7、穩壓為-5V。取穩壓管為2CW53、二極管為2CP10。 圖3-3-8 脈沖波形成電路（5）鋸齒波發生器積分電路由上所述，由于uD的正程和逆程斜率不同，即積分電路充、放電時常數不等。故對uC為高、低不同電平時，采用二極管隔離輸入回路。如圖3-3-9所示。 圖3-3-9 鋸齒波發生電路工作原理如下：當uC=1.4V>0時，D3導通，D4截止，忽略二極管導通時的動態電阻，積分時常數為=R8C3，形成鋸齒波的逆程。當uC=-5V<0時，D3截止，D4導通。積分常數R9C3，形成鋸齒波的逆程。電路參數計算：首先要算出脈沖波高電平和低電平的時間軸，由圖3-3-1，uB由3V下降至0V的時間為

8、uC高電平的半個周期。這時鋸齒波uD由0V積分到-3V，若此時為t1,由相似三角形知識可以算得t1=3.75ms，同樣可以算得uC由低電平變為高電平的時間t2為6.25ms,uC再次變為低電平時間為13.75ms,如圖3-3-10所示。圖3-3-10 UC時序圖取C3=1uF，則鋸齒波正程有：（6.253.75）10=6 即 52.510=6由上及 R9=20.8310 取R9=20K鋸齒波逆程：UC（13.756.25）10=6 即=6得R8=17.5×10 取R8=18K由于同時只有一個電阻導通，故 R10=18K（或20K），為了減小二極管死區電壓，D3、D4直流壓降要小，故D

9、3、D4選鍺二極管2AP10。4、 總電路圖將各單元電路串聯，得到本課題的總電路圖如圖3-3-11所示。 圖3-3-11 多種波形發生器總電路圖5、 實驗與調試（1）本系統可采取逐級安裝調試方法，待各級調試均正常后再接成閉環形式。原則上從哪一級開始安排調試均可，但開環時必須由函數信號發生器外加激勵信號。研究這四種波形，只有選用UA作為外加信號，先從三角波發生電路開始最為方便。為了滿足各種波形的時序、周期、幅值要求，每一級調試的工作量均較大。（2）三角波發生電路的安裝與調試 按圖3-3-5電路參數安裝無誤，接通12V直流電源，首先對該電路調零，方法是將uA端接地，萬用表直流電壓接A2的腳到地，調

10、RW1活動端，看u0是否變化。若u0幅值較大，或始終為零，或某一固定值，應檢查電路連接是否正確，同相與反相輸入端是否接反等。由于1M電阻的并接，靜態時A2工作在閉環（負反饋）狀態，、腳電位差應該很小，可通過測量來檢查。若電路正常，調RW1活動端使u0的絕對值逐步減小，同時更換萬用表電壓檔，直至最低檔時，u0=0，調零完成。 拆除UA端口的短路線，接入函數信號發生器，輸入周期為10ms，幅值為5V的方波信號，并用示波器嚴格測量并監視。示波器另一輸入觀察積分電路輸出信號，若打到AC輸入方式，應看到周期10ms、幅值為2V的三角波。若幅值大于或小于2V，說明設定的時常數實際值與理論值不符，應該變R3

11、阻值或C1的電容值，一般采取改變電阻的方式比較方便。若幅值低于2V，應減小R3，反之，應加大R3值，直至達到設要求為止。（3）直流電平移位電路的安裝與調試 按圖3-3-6安裝好移位電路，接通A2、A3電路電源，示波器觀察UB輸出波形正常后通過C2接入A3同相輸入端，示波器輸入方式改為DC，觀察A3腳輸出波形UB，調電位器RP1的活動端可以看到uB波形電平上移，直至達到+3V，-1V為止。（4）脈沖波發生電路的安裝與調試按圖3-3-7電路安裝好脈沖波發生電路，通電后輸入uB波形，示波器觀察uC端，一般周期不會明顯變化，但幅值肯定存在誤差，如正幅值不可能為+14V，但只要D1、D2為硅二極管，誤差

12、不應太大。負電平取決于DZ2的穩壓值。若誤差過大超出設計要求（5.54.5）V,應更換穩壓二極管，直至達到設計要求。（5）鋸齒波發生電路的安裝與調試 按圖3-3-8電路及參數安裝無誤，接通電源并對A5進行調零。輸入應短路A5的腳而不是uC端，否則輸入端實際上是開路。調零后接入uC波形，并確認uB，uB、uC波形沒有變化，示波器接uD端，仔細觀察鋸齒波波形，若時序與圖3-3-1的uD波形有差異，應精心調整R8，R9，直至達到對uD的規范要求。（6）方波發生電路的安裝與調試按圖3-3-4安裝好過零比較器，接通電源后接入uD波形，示波器觀測uA波形，并檢查方波的周期和幅值，若幅值與5V相差較大，應更

13、換uZ1。（7）閉環將A1的輸出UA端接A2的輸入端，完成環形多種波形發生器的最后連接。切除由函數信號發生器提供的激勵信號，各級應運轉輸出正常。用示波器逐級測量各波形的周期、幅值。并記錄。分析是否達到設計要求。本電路的缺點是重新啟動不可靠，往往要一個方波信號源從u端激勵一下。但通過本課題的設計，安裝和調試，對集成運算放大器的典型應用電路的了解和調試技能的提高有較大的幫助作用。、元器件清單 序 號名 稱符 號規格型號數 量1電阻R2、R70.125W 1K22電阻R1、R5、R60.125W 10K33電阻R8、R100.125W 18K24電阻R90.125W 20K15電阻R3、R40.125W 62K26電阻0.125W 1M27電容C1、C30.1uF28電容C2CA 10uF 16V19電位器RW1、RW2、RP110K310硅二極管D1、D22CP10211鍺二極管D3 、 D42AP10212穩壓二極管DZ1、 DZ22CW53413集成運算放大器A1A2F741C(或F007)57、設計任務 分析本課題的設計內容，并對設計方案進行評價，畫出設計方案的方框圖。 對各單元電路再進行一次理論設計，包括元器件的選擇、電路參數的設計等。 畫出總電路圖，并說明電路及系統的工作原理。 設計調試方案，選擇測量儀器，列出調試步驟。