1、電路 CAD 課程設計報告題目波形發生器學生姓名學號學院專業指導教師2011 年12月18日摘要波形發生器一般是指能自動產生正弦波、 三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電壓或儀器。 根據用途不同， 有產生三種或多種波形的波形發生器， 使用的器件可以是分立器件， 也可以采用集成電路。本次波形發生器設計要求產生方波和三角波， 矩形波發生電路是其它非正弦發生電路的基礎， 當方波電壓加在積分運算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產生振蕩，就要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換， 所以電路中必須引入反饋；因為輸

2、出狀態應按一定的時間間隔交替變化， 即產生周期性變化，所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。關鍵詞：波形發生器，三角波，方波，電路原理圖，PCB 圖- 1 -目錄1 設計任務與要求.31.1設計要求 . .31.2設計任務 . .32方案選擇 .33單元電路設計 .53.1矩形波發生器電路 .53.2三角波發生器電路 . .63.3電源電路 . .63.4單元電路計算 . .74電路板圖設計 .104.1總原理圖 .105設計結論 146參考文獻 .14- 2 -波形發生器1、設計任務與要求1.1 設計要求 ：f o = 5 kHz 的方波，使用集成運放設計一個波形發生器，產生一個頻

3、率為其電壓幅度為Vs= | Vs|=14V。同時產生一個頻率為f o= 5kHz的三角波，其Vt+Vt|=5V。波形發生器方框圖見圖（圖1）。幅度為+ =|方波發生器電路三角波發生器電路電源電路1.2 設計任務：波形發生器方框圖方波發生器設計；三角波發生器設計；電源電路設計。2、方案選擇波形發生器一般是指能自動產生正弦波、 三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電壓或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的波形發生器，使用的器件可以是分立器件 （如視頻信號函數發生器 S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片函數發生器模塊 5G8038）。本次波形發生器設計要求產生方波和三角波，

4、 矩形波發生電路是其它非正弦發生電路的基礎， 當方波電壓加在積分運算電路的輸入端是， 輸出就獲得三角波電壓。 而矩形波電壓只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產生振蕩，就要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，所以電路中必須引入反饋； 因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化， 即產生周期性變化， 所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。系統原理框圖如下示：模擬電路實現方案- 3 -用正弦波發生器產生正弦波信號， 然后用過零比較器產生方波， 再經積分電路產生三角波，電路框圖如上示。 此電路結構簡單， 且有良好的正弦波和方波信號。但經過積分電路產生同步三角

5、波信號， 存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數是不變的， 且隨著方波信號頻率的改變， 積分電路輸出的三角波的幅度同時改變。若要同時保持三角波的輸出幅度不變， 須同時改變積分時間常數的大小。系統原理框圖如下示：方波發生器電路三角波發生器電路電源電路波形發生器方框圖若用運放完成，則選定用比較器，比較器器有好多種，比如單限比較器，滯回比較器，窗口比較器等等。雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性， 因而也就是具有一定的抗干擾能力。 從而選擇滯回比較器。由于本次波形發生器設計要求產生方波和三角波， 矩形波發生電路是其它非正弦發生電路的基礎， 當方波電壓加在積分運

6、算電路的輸入端是， 輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分； 因為產生振蕩， 就要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，所以電路中必須引入反饋； 因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化， 即產生周期性變化，所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。3 . 單元電路設計3.1 矩形波發生器電路矩形波發生電路是其它非正弦發生電路的基礎，當方波電壓加在積分運算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。 而矩形波電壓只有兩種狀態， 不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產生振蕩，就要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，

7、所以電路中必須引入反饋； 因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化， 即產生周期性變化， 所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。下圖是矩形發生器電路，它由反相輸入的滯回比較器和 RC電路組成。 RC 回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過 RC充，放電實現輸出狀態的自動轉換。- 4 -矩形發生電路原理：將輸出電壓 U0 經過 RC 積分電路，利用電容的充放電電壓取代外加輸入信號送入比較器反相端， 與同相端上的門限電壓相比較， 使比較器的輸出不斷發生轉化，從而形成高低電平周期性交替的矩形振蕩波形。接通電源的瞬間，電容 C 的初始電壓為 0，電路輸出電壓 U0 使高電平或者低電平是隨機的

8、，假設輸出電壓為高電平U0=+UZ ，則運放的同相輸入端電位是U+=UT+.(1)u0 通過 R 對電容 C 正向充電，使 UC 增加，當 UC 上升到略大于 UT+ ，比較器輸出電壓發生反轉， U0 由 +UZ 變為 -UZ ，同相端的電位 U+由 UT+ 變為 UT- 。(2)UC 通過 T 對電容反向放電，使 UC 減小，當 UC 減小到略小于 UT-，比較器輸出電壓發生反轉， U0 由-UZ 變為 +UZ ，同相端的電位 U+由 UT-變為 UT+ 。3.2三角形波發生器電路在方波發生電路中， 當滯回比較器的閾值電壓數值比較小時， 可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。但是， 一方面這個

9、三角波的線性度較差， 另一方面帶負載后將使電路的性能產生變化。 實際上，只要將方波電壓作為積分運算電路的輸入，在積分運算的輸出就得到三角波電壓。如下圖所示。- 5 -三角波產生電路3.3 電源電路本設計還要求有電源電路。 穩壓電源的設計，是根據穩壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流 Io、輸出紋波電壓 Uop-p 等性能指標要求，正確地確定出變壓器、集成穩壓器、 整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數， 從而合理的選擇這些器件。下圖為穩壓電源 .輸出電壓可調的穩壓電源- 6 -3.4 單元電路計算頻率計算公式：由于 R3 是可調電阻，可調范圍為 0100K，所以頻率 f 的可調范圍為50050M

10、。當可調電阻 R3 為 10K 時，達到本次設計要求的 5KHz 。在本次設計中， 為了滿足負載的需要， 在集成運放的輸出端加穩壓管限幅電路，從而獲得合適的 Ut 。為了產生幅度相同的矩形波，兩個穩壓管的特性必須相同，如圖（ 6）。本次設計采用兩穩壓管反向串接，其中穩壓電壓為 14V，正向導通電壓為0.9717V。所以 Uz 的值為 14.9717V。幅度的計算公式：± Ut=±R1Uz/R2Ut=±14.9717V。如果電路圖僅此而已，如下圖所示，則幅度改變的話，頻率就跟著改變。如何使調頻率和調幅度不相互影響幅度改變頻率就跟著改變的信號發生器- 7 -對應的信號

11、發生器輸出波形可以在輸出端 Ut 處加一跟隨器， 這樣調頻和調幅可互不影響。 如下圖所示：調頻和調幅可互不影響的信號發生器- 8 -對應的調頻和調幅可互不影響的信號發生器輸出波形- 9 -4 電路板圖設計4.1 總原理圖用 EWB仿真設計a用 EWB 繪制的電路圖：EWB 繪制波形發生器b用 EWB 仿真的波形圖：EWB 繪制波形發生器仿真結果-10-用 Protel模擬電路a.用 Protel 繪制的原理圖R78KC310 0BT8R68KC 210 015 VBT315VOPAMP3BT4 15 VC10.2 B T1 15VB T5 15VOPAMP1R3 10OPAMP2R42.5KB

12、T215VB T615VR215KR510KD1D2R110Kb.用 Protel 繪制的原理圖 ERC 檢查c.用 Protel 繪制的原理圖生成網絡表OPAMP4BT715 V-11-d.用 Protel 繪制的 PCB 板：用 Protel 繪制的原理圖封裝PCB 板-12-元件清單及封裝：元件序型號主要參數封裝數量備號注R1RES210kAXIAL0.31R2RES215kAXIAL0.31R3RES210kAXIAL0.31R4RES22.5kAXIAL0.31R5POT210kVR21R6POT28kVR21R7POT28kVR21C1CAP0.2uFRAD0.41C2CAP100

13、uFRAD0.41C3CAP100uFRAD0.41D1DIODEDIODE0.41SCHOTTKYD2DIODEDIODE0.41SCHOTTKYOPAMP1OPAMPDIP61OPAMP2OPAMPDIP61OPAMP3OPAMPDIP61OPAMP4OPAMPDIP61BT1BATTERY15vRAD0.41BT2BATTERY15vRAD0.41BT3BATTERY15vRAD0.41BT4BATTERY15vRAD0.41BT5BATTERY15vRAD0.41BT6BATTERY15vRAD0.41BT7BATTERY15vRAD0.41BT8BATTERY15vRAD0.41-13-5 . 設計結論通過本次課程設計，學會了通過使用 EWB仿真，產生平時示波器上才有的方波和三角波波形。成功的使用集成運放設計一個波形發生器，產生一個頻率為f o= 5 kHz的方波，其電壓幅度為Vs= | Vs|=15V。同時產生一個頻率為f o=+5kHz 的三角波，其