1、. 課程設計說明書課程設計名稱： 模擬電子技術課程設計課程設計題目：正弦波-方波-鋸齒波函數轉換器學 院 名 稱：信息工程學院 專業： 通信工程 班級： 090421 學號： 09042134 ： 趙尚虎 評分：教師：2011 年 3 月 16 日任務書題目3：設計制作一個產生正弦波方波鋸齒波函數轉換器。設計任務和要求 輸出波形頻率范圍為0.02Hz20KHz且連續可調； 正弦波幅值為±2V； 方波幅值為2V； 鋸齒波峰-峰值為2V，占空比可調；摘要 本次課程設計的目的是：應用電路分析低頻等所學的知識設計一個正弦波-方波-鋸齒波函數發生器。設計的正弦波-方波-鋸齒波函數發生器是由正弦

2、波發生器、過零比較器、積分電路等三大部分組成。正弦波發生器產生正弦波，正弦波經過過零比較器轉變為方波，方波經過積分電路產生鋸齒波。關鍵字：正弦波、方波、鋸齒波目錄第一章 設計目的及任務1.1 課程設計的目的51.2 課程設計的任務與要求51.3 課程設計的技術指標5第二章 系統設計方案選擇2.1 方案提出62.2 方案論證和選擇6第三章 系統組成及工作原理3.1 系統組成73.2 正弦波發生電路的工作原理7 3.3 正弦波轉換方波電路的工作原理8 3.4 方波轉換成鋸齒波電路的工作原理9 3.5 總電路圖11第四章單元電路設計、參數計算、器件選擇 4.1 正弦波發生電路的設計12 4.2 正弦

3、波轉換方波電路的設計13 4.3 方波轉換成鋸齒波電路的設計14第五章 實驗、調試及測試結果與分析5.1電路總體仿真圖如下所示175.2 調試方法與調試過程18第六章 結論21參考文獻23附錄（元器件清單）23第一章 設計的目的及任務11課程設計的目的1掌握電子系統的一般設計方法2掌握模擬器件的應用3培養綜合應用所學知識來指導實踐的能力4掌握常用元器件的識別和測試5熟悉常用儀表，了解電路調試的基本方法12課程設計任務與要求1.設計制作一個正弦波-方波-鋸齒波函數轉換器2.能同時輸出一定頻率一定幅度的3種波形：正弦波、方波和鋸齒波3.可以用±12V或±15V直流穩壓電源供電1

4、3 課程設計的技術指標1設計、組裝、調試函數發生器2輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波3頻率范圍 ：在0.02HZ-20KHZ范圍內連續可調 4輸出電壓：正弦波幅值+2V、方波幅值2V，鋸齒波峰峰值2V，占空比可調第二章 系統設計方案選擇2.1 方案提出方案一：RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波方波鋸齒波函數發生器的設計方法。先通過RC正弦波振蕩電路產生正弦波，再通過電壓比較器產生方波，最后通過積分電路形成鋸齒波。方案二：采用直接頻率合成器，從信號的幅度相位關系出發進行頻率合成。2.2 方案論證和選擇方案一電路是通過RC正弦波振蕩電路，具有良好的正弦波，正弦波通過電壓比較器產

5、生穩定的方波信號，方波信號經過積分器產生鋸齒波，方案一的電路能通過改變門限電壓，改變方波的占空比，而且此方案可調節正弦波的幅值。電路簡單有效，精度較高，性價比高，易于制作，能應用于各種波形仿真、實驗應用等。方案二能實現快速頻率變換，具有低相位噪聲以及所有方法中最高的工作頻率。但由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環節，導致直接頻率合成器的結構復雜、體積龐大、成本高，而且容易產生過多的雜散分量，難以達到較高的頻譜純度。相對而言，方案一較為合理有效，因此選擇方案一。第三章 系統組成及工作原理3.1 系統組成及設計框圖RC正弦波振蕩電路：確定選頻網絡是串聯還是并聯，用滑動變阻器代替電阻，以起到選頻的

6、效果，反饋部分用兩個并聯的二極管，起到穩幅的作用，再加滑動變阻器，用以改變正弦波的幅度；電壓比較器：正弦波經過電壓比較器變成方波，要改變方波的占空比就得改變其門限電壓，通過外加受滑動變阻器調節的電源來實現可調門限電壓；積分器：占空比調小后的方波經過積分器即可得到鋸齒波。積分器鋸齒波電壓比 較電壓比 較自激振蕩產生正選波（RC正選波振蕩電路）圖13.2 正弦波發生電路的工作原理產生正弦振蕩的條件:正弦波產生電路的目的就是使電路產生一定頻率和幅度的正弦波，我們一般在放大電路中引入正反饋，并創造條件，使其產生穩定可靠的振蕩。正弦波產生電路的基本結構是：引入正反饋的反饋網絡和放大電路。其中：接入正反饋

7、是產生振蕩的首要條件，它又被稱為相位條件；產生振蕩必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波，必須具有選頻特性；同時它還應具有穩幅特性。因此，正弦波產生電路一般包括：放大電路、反饋網絡、選頻網絡、穩幅電路等四個部分。正弦波振蕩電路的組成判斷及分類：1）放大電路：保證電路能夠有從起振到動態平衡的過程，電路獲得一定幅值的輸出值，實現自由控制。2）選頻網絡：確定電路的振蕩頻率，是電路產生單一頻率的振蕩，即保證電路產生正弦波振蕩。3）正反饋網絡：引入正反饋，使放大電路的輸入信號等于其反饋信號。4）穩幅環節：也就是非線性環節，作用是輸出信號幅值穩定。 判斷電路是否振蕩的方法是： （1）是否滿足相

8、位條件，即電路是否是正反饋，只有滿足相位條件才可能產生振蕩（2）放大電路的結構是否合理，有無放大能力，靜態工作是否合適； （3）是否滿足幅度條件正弦波振蕩電路檢驗，若： (1)則不可能振蕩； (2)振蕩，但輸出波形明顯失真； (3)產生振蕩。振蕩穩定后。此種情況起振容易，振蕩穩定，輸出波形的失真小分類： 按選頻網絡的元件類型，把正先振蕩電路分為：RC正弦波振蕩電路；LC正弦波振蕩電路；石英晶體正弦波振蕩電路。RC正弦波振蕩電路 常見的RC正弦波振蕩電路是RC串并聯式正弦波振蕩電路，它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路。串并聯網絡在此作為選頻和反饋網絡。它的起振條件為：。它的振蕩頻率為：f0=1/(2

9、RC)它主要用于低頻振蕩。要想產生更高頻率的正弦信號，一般采用LC正弦波振蕩電路。它的振蕩頻率為：f0=1/(2RC)。石英振蕩器的特點是其振蕩頻率特別穩定，它常用于振蕩頻率高度穩定的的場合。3.3 正弦波轉換方波電路的工作原理在單限比較器中，輸入電壓在閥值電壓附近的任何微小變化，都將引起輸出電壓的躍變，不管這種微小變化是來源于輸入信號還是外部干擾。因此，雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。而滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因此也就具有一定的抗干擾能力。從反向輸入端輸人的滯回比較器電路如圖1a所示，滯回比較器電路中引人了正反饋。從集成運放輸出端的限幅電路可以看出，Uo±UZ。

10、集成運放反相輸人端電位UpUi同相輸入端電位圖2令UN=Up求出的Ui就是閥值電壓輸出電壓在輸人電壓U，等于閥值電壓時是如何變化的呢.假設Ui<-UT，那么UN一定小于Up，因而Uo+Uz，所以Up=+UYO。只有當輸人電壓Ui增大到+UT，再增大一個無窮小量時，輸出電壓Uo才會從+UT躍變為-UT。同理，假設Ui>+ UT，那么UN一定大于Up，因而Uo- UZ，所以Up- UT。只有當輸人電壓Ui減小到-UT，再減小一個無窮小量時，輸出電壓Uo才會從- UT躍變為+ UT?？梢姡琔o從+ UT躍變為- UT和從- UT躍變為+ UT的閥值電壓是不同的，電壓傳輸特性如圖b)所示。

11、從電壓傳輸特性上可以看出，當- UTUi+ UT時，Uo可能是- UT，也可能是+ UT。如果Ui是從小于-UT，的值逐漸增大到- UT<Ui<+ UT，那么Uo應為+ UT；如果Ui從大于+ UT的值逐漸減小到- UT<Ui<+ UT，那么應為- UT。曲線具有方向性，如圖b)所示。實際上，由于集成運放的開環差模增益不是無窮大，只有當它的差模輸人電壓足夠大時，輸出電壓Uo才為±UZ。Uo在從+ UT變為- UT或從- UT變為+ UT的過程中，隨著Ui的變化，將經過線性區，并需要一定的時間。滯回比較器中引人了正反饋，加快了Uo的轉換速度。例如，當Uo+UZ、

12、Up=+ UT時，只要Ui略大于+ UT足以引起Uo的下降，即會產生如下的正反饋過程：Uo的下降導致Up下降，而Up的下降又使得Uo進一步下降，反饋的結果使Uo迅速變為UT，從而獲得較為理想的電壓傳輸特性。本電路中該電路的作用是將正弦信號轉變成方波信號，其傳輸特性曲線如下圖所示：圖33.4 方波轉換成鋸齒波電路的工作原理圖4當輸入信號為占空比調小后的方波時，其輸出信號為鋸齒波，電路波形圖如下：圖53.5 總電路圖圖6第四章 單元電路設計、參數計算、器件選擇4.1 正弦波發生電路的設計本電路中采用RC橋式正弦波振蕩電路產生正弦波，其電路圖如下所示：圖7該電路Rf回路串聯兩個并聯的二極管，如上圖所

13、示串聯了兩個并聯的1N4148二極管，這樣利用電流增大時二極管動態電阻減小、電流減小時動態電阻增大的特點，加入非線性環節，從而使輸出電壓穩定。此時輸出電壓系數為 Au=1+(Rf+rd)/R1RC振蕩的頻率為：fo1/2piRC用Multisim10.0對電路進行仿真得到正弦波：圖8仿真與理論接近4.2 正弦波轉換方波電路的設計本電路可以采用滯回電壓比較器將正弦波轉成方波，其電路原理如下圖所示：圖9原理上文已講述，此處省略。 也可以采用和滯回比較器功能相似的另一電路實現，如下圖：圖10輸出電壓幅值僅由穩壓管決定，所以選穩壓管（1N4748）。用Multisim10.0對其進行仿真得到如下波形圖

14、：圖11 4.3 方波轉換成鋸齒波電路的設計 本電路中方波轉成鋸齒波采用積分電路，其電路原理如下圖所示：圖12積分電路： U0=-+u0(t1)其中，積分電路圖中的電路圖13用于調節占空比。鋸齒波形如下圖所示：圖14第五章 實驗、調試及測試結果與分析5.1電路總體仿真圖如下所示圖15輸出波形：正弦波、方波、鋸齒波頻率范圍 ：在0.02HZ-20KHZ范圍內連續可調 輸出電壓：正弦波幅值約為±2V、方波幅值約為2V，鋸齒波峰峰值約為2V，占空比可調5.2 調試方法與調試過程總電路圖如下所示圖16圖17該電路分為三部分，第一部分為RC橋式正弦振蕩電路，其功能是利用RC振蕩產生特定頻率的正

15、弦波，通過調節電阻R2改變正弦波幅值；第二部分為類似電壓比較器的電路，其功能為將正弦波轉成方波；第三部分為積分電路，其功能為利用積分電路將方波轉成鋸齒波，鋸齒波通過調節R8的大小改變鋸齒波的幅值。在正弦波產生電路中f=1/2piRC,改變RC的值可以改變電路的信號頻率，在積分電路中，改變R9的值可以改變方波的占空比。實驗數據：正弦波幅值（v）±1.96方波幅值(v)±2.0鋸齒波峰峰值(v)2.1數據分析：實驗結果與仿真結果一致，在誤差范圍內，都符合設計要求。誤差分析：.電阻的實際值與標稱值存在誤差；.RC選頻網絡中的R、C參數的選擇不合理導致頻率的選擇不達不到要求；.電位

16、器的大小選擇不合適，導致調節的精度不夠高；.焊接時管腳的連接容易短路或開路，導致波形不能出來；第六章 結論1 要滿足課設的頻率調節要求，0.02HZ20KHZ，這個部分：需要該進成的多檔調節（此方法是模擬電子技術基本教程課本上P281的震蕩頻率連續可調的RC串并聯網絡）或者是更多的檔位（多向開關實驗室也沒有，所以只能夠用一個電容，因此頻率調節的范圍就小了）。模塊二：以下是過零比較器電路，用來將正弦波轉換成方波的部分2對于是一個穩幅電路，其作用是穩定方波的幅值，使之滿足課設要求的2V（可是實驗室沒有這樣幅值的穩壓管，給的是6V的所以輸出的要求不能滿足）。模塊三：以下是調節方波占空比的電路，用來將方波轉換成矩形波的部分這個電路在實際中好像沒有多大的效果，我個人估計這樣的電路需要在輸出與前一級輸入之間有個反饋！不過在后來的求證當中，為了調節方波的占空比，可以再第二級的部分稍作改動，將過零比較器改為不過零的，即放大器的正極管腳輸入一個穩定的電壓就可以使得翻轉電壓因此而改變，改進圖：。這樣在第二級輸出的圖形就直接是矩形波了。3：以下是積分電路，用來將矩形波轉換成鋸齒波的部分1. 對于這個電路圖對于方波轉換成三角波是沒有問題的，可是要將矩形波轉換成鋸齒波的話，也許要在這級與前