I角EM模擬電子技術基礎

課程設計（論文）幅度頻率可調的鋸齒波發生器院（系）名稱電子與信息工程學院專業班級電子信息工程學 號學生姓名指導教師起止時間：2015.7.6—2015.7.19課程設計（論文）任務及評語I/24

院（系）：電子與信息工程學院 教研室：電子信息工程學號學生姓名 專業班級課程設計（論文）題目幅度頻率可調的鋸齒波發生器課程設任務要求：幅度頻率可調的鋸齒波發生器常作為時基電路，不同電子產品需要不同頻率和幅度的鋸齒波，以集成運算放大器為主要器件。由比較器、鋸齒波發生電路及電源電路等部分組成。技術要求：1、 設計電路所需的直流穩壓電源。2、 輸出波形工作頻率范圍0.02Hz?1kHz連續可調。3、 方波幅值土10V，波峰峰值20V。4、 各種輸出波形幅值均連續可調。5、 利用Multisim（或EWB）進行電路仿真與調試。T（侖予E務孝r萬旨攵平吾戈責平時成績： 答辯成績： 論文成績： 作品成績： 總成績： 指導教師簽字： 年月日注：平時成績占20%，答辯成績占20%，論文成績占40%，作品成績20%。隨著電子技術的發展和測試用信號源的廣泛應用，鋸齒波和正弦波、方波、三角波作為常用的基本測試信號，鋸齒波電路作為時基電路已在儀器儀表中得到廣泛應用。在示波器觀測到被測信號的波形，需要在水平偏轉板加上鋸齒波電壓，使電子束沿水平方向均勻掃過熒光屏；電視機熒光屏行場掃描也需要鋸齒波電壓信號進行掃描控制。因此鋸齒波信號產生電路具有廣泛的應用意義。本次設計的幅度頻率可調的鋸齒波發生器，該鋸齒波產生電路以集成運算放大器LM324為主要器件，構成遲滯電壓比較器和充放電時間常數不等的積分器，實現幅度頻率可調的鋸齒波發生器。并設計電路所需的直流穩壓電源。通過可變電阻阻值的改變，使幅度、頻率均可在設計范圍內連續可調，以滿足不同的電子設備對不同參數的鋸齒波信號的要求。本系統采用Multisim仿真軟件進行仿真測試。在保證功能的前提下控制器件成本。采用單面印制電路板對整體電路進行合理的布線，并進行焊接與調試。各輸出信號均達到設計要求且穩定工作。關鍵詞：鋸齒波；遲滯電壓比較器；充放電；積分器目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"1.1鋸齒波發生器的發展概況 1\o"CurrentDocument"1.2本文研究內容 1\o"CurrentDocument"第2章鋸齒波發生器總體設計方案 1\o"CurrentDocument"2.1鋸齒波發生器設計方案論證 1\o"CurrentDocument"2.2總體設計方案框圖及分析 1\o"CurrentDocument"第3章 鋸齒波發生器單元電路設計 23.1鋸齒波發生器具體電路設計 23.1.1直流穩壓電源電路設計 2\o"CurrentDocument"3.1.2同相輸入遲滯電壓比較器電路設計 2\o"CurrentDocument"3.1.3充放電時間常數不等的積分器電路設計 4\o"CurrentDocument"3.2元器件型號選擇 53.3參數計算 6\o"CurrentDocument"3.4鋸齒波發生器總體電路圖 7\o"CurrentDocument"第4章 鋸齒波發生器電路仿真與調試 84.1 Multisim仿真與調試 84.2仿真結果分析 10\o"CurrentDocument"第5章鋸齒波發生器實物制作 11\o"CurrentDocument"5.1鋸齒波發生器電路焊接 11\o"CurrentDocument"5.2鋸齒波發生器電路作品 11\o"CurrentDocument"第6章 作品測試與數據分析 13\o"CurrentDocument"第7章總結 15\o"CurrentDocument"參考文獻 16附錄I 17附錄II 18第1章緒論1.1鋸齒波發生器的發展概況隨著電子技術的快速發展，電子產品的功能日益強大，與人們日常生活的聯系日益緊密。電子產品向小型化，精密化的趨勢快速發展。任何的電子系統中，信號產生電路都是全系統得以正常工作的基礎，也是制約電路處理信號的速度、精度的重要因素。信號源的精度決定著全電子系統的精度。電子技術的發展常常以信號發生技術的進步為基礎。常常作為時基信號電路的鋸齒波發生電路在信號發生器領域占有重要的地位。例如，要在示波器熒光屏上不失真的觀察到被測信號的波形，就要在水平偏轉板加上鋸齒波電壓，使電子束沿水平方向均勻掃過熒光屏。電視機熒光屏的光點是靠磁場控制的，同樣也需要鋸齒波電壓。隨著數字電路基礎的進步，以單片機為核心部件的數字式函數發生器層出不窮。此外專用的集成芯片在信號源電路中使用的趨勢越來越明顯，這類電路僅有少部分分立元件和局部集成器件組成，結構簡單、性能穩定。但隨著半導體工藝的進步，模擬電路的精度也毫不遜色，而且成本相對較低。同樣得到廣泛應用。1.2本文研究內容本文研究內容為設計一款幅度、頻率均連續可調的鋸齒波發生器電路。使用集成運算放大器為主要器件組成遲滯電壓比較器和充放電時間常數不等的積分器。設計合適的直流穩壓電源電路等核心部件。選擇合適的外圍分立元件組成鋸齒波發生器。通過對調節外圍分立元件的參數的調整，實現幅度、頻率連續可調。分立元件的數量相對較少，結構簡單、性能穩定。技術要求：1、 設計電路所需的直流穩壓電源。2、 輸出波形工作頻率范圍0.02Hz?1kHz連續可調。3、 方波幅值土10V，波峰峰值20V。4、 各種輸出波形幅值均連續可調。5、 利用Multisim（或EWB）進行電路仿真與調試。第2章鋸齒波發生器總體設計方案2.1鋸齒波發生器設計方案論證方案1：利用8038集成函數信號發生芯片及其外設電路產生方波信號再由充放電時間常數不等的積分電路變換成鋸齒波輸出。方案2：利用遲滯比較器單元和充放電時間常數不等的積分器構成的反饋網絡實現鋸齒波的產生，通過調節積分器充放電時間常數的差值來調節鋸齒波和方波的頻率，通過對遲滯比較器反饋電阻的調節來調節遲滯比較器的門限電壓的調節進而調節鋸齒波的電壓幅值，通過電阻分壓網絡來調節方波電壓幅值。比較兩種設計方案，與方案1相比，方案2用運算放大器組成遲滯比較器就能滿足鋸齒波電路在1kHz以下的頻率區間工作的性能要求。其結構更加簡單、可靠性更高、制作成本低廉、調試更加方便。所以選擇方案2。2.2總體設計方案框圖及分析如圖2.1所示，本鋸齒波發生器由與之適配的直流穩壓電源供電，由遲滯電壓比較器和充放電時間常數不等的積分器構成的反饋網絡實現鋸齒波電壓的輸出。由輸出的鋸齒波信號作為電壓比較器的輸入信號，電壓比較器輸出的方波作為積分器的輸入信號。由于積分器充放電時間常數不同所以輸出的信號為鋸齒波。合理調整遲滯電壓比較器的比較門限可以調整鋸齒波電壓的輸出幅度。調整充放電時間常數的差值可以調整鋸齒波電壓的輸出頻率。鋸止鋸止齒波輸出鋸齒波反饋信號圖2.1總體設計方框圖

第3章鋸齒波發生器單元電路設計3.1鋸齒波發生器具體電路設計3.1.1直流穩壓電源電路設計如圖3.1所示，本鋸齒波發生器設計要求各波形幅值最大為10V。以此為依據設計穩壓電源的輸出電壓為±15V采用220V50Hz市電輸入。由變壓器降壓、二極管整流電橋整流、濾波電容C1濾波，變為±18V直流電壓信號。再由LM7815、LM7915這兩個正負電壓穩壓芯片進行進一步穩壓C5、C6、C7、C8用來實現頻率補償，防止穩壓產生高頻自己振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C3、C4為電解電容用以減小穩壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。本電路可以輸出穩定的±15V電壓用于為構成遲滯電壓比較器和積分器的集成運算放大器供電。1N40071N4M74-TN4007220Vms50HzCl太471N40071N4M74-TN4007220Vms50HzCl太47如F“D1D3tc5VOLTAGECOMMONLMFRISCTN4M7LT^E TOEGLM7915CT230:18:18圖3.1直流穩壓電源電路原理圖3.1.2同相輸入遲滯電壓比較器電路設計同相輸入遲滯電壓比較器以經過反饋通路反饋回來的積分器輸出的鋸齒波電壓信號作為輸入信號，與自身輸出的矩形波信號進行電壓比較。整個單元電路承擔著向積分器提供一定幅值和頻率的矩形波信號用以產生鋸齒波的作用。其輸出的矩形波頻率受輸入的鋸齒波頻率控制，二者近似相等。所以遲滯電壓比較器重要的設計指標為上下門限、門限寬度及輸出矩形波電壓幅值。其輸入和輸出的波形對應關系如圖3.2所示。

圖3.2圖3.2同相輸入遲滯電壓比較器輸入-輸出關系如圖3.3所示同向輸入遲滯電壓比較由集成運算放大器及電阻反饋網絡構成。設運算放大器同相輸入端電壓為vp那么存在如下關系(3-1)V=V-匕—VR

piR2+R33(3-1)設運算放大器的反相輸入端電位為Un由理想運算放大器虛短、虛斷的關系可得在電路翻轉時存在TOC\o"1-5"\h\zVp注VN (3-2)設門限電壓為匕，門限寬度為△匕。由式(3.1.1)(3.1.3)可得V=-RV (3-3)TR02由于穩壓二極管的存在可得如下關系式VO=±VZ (3-4)

匕廣RVZ (3一5)2V=—RV^ (3-6)2\o"CurrentDocument"△匕=V—V=2RVz (3-7)2vccis\rnR2Wv.15V D10 09D7g信3R2Wv.15V D10 09D7g信3 H X——1K473SA1?47$SA1N473SA1N473SA=3.1.3充放電時間常數不等的積分器電路設計充放電時間常數不等的積分器是整個鋸齒波發生器的核心，通過調節充放電時間常數的差值可以實現對鋸齒波頻率的調節。所以。充放電時間常數至少有一個要可調。實現電容充放電時間常數不同可以用圖3.4所示的電路代替與單一的電阻接入RC網絡圖3.4圖3.4改變電容充放電時間常數的一種電阻網絡如圖3.4所示，設二極管均為理想二極管。當輸入為正電壓時D5導通D6截止該電路等效為電阻R5,當輸入為負電壓時D6導通D5截止，該電路的等效電阻為R6。且R6為電位器其阻止可以人為調節，又有阻容網絡的時間常數為RC。所以，該電路可以實現積分器的正反向充電時間常數不等且可調。將圖3.4所示的電路網絡代替電阻接入由運算放大器組成的反向積分電路中，可以得到正反向充電時間常數不等的積分器。其電路圖如圖3.5所示。?100IcQKeyaA?100IcQKeyaA圖3.5正反向充電時間常數不等的積分器3.2元器件型號選擇在直流穩壓電源部分，為了得到穩定的電壓輸出為運算放大器供電。選擇L7815ST和L7815ST兩個三端集成穩壓芯片輸出±15V電壓。C5、C6、C7、C8用來實現頻率補償，防止穩壓產生高頻自己振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C3、C4為電解電容用以減小穩壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。為了保證這兩個三端集成穩壓芯片的正常工作應供給輸入端±18V電壓。可以采用兩路18V變壓器將市電降壓。由整流電橋整流、電容濾波產生土18V較為平穩的電壓信號。考慮到輸出電壓的幅值和市電10%的波動范圍，整流橋由四只1N4007整流二極管組成。濾波電容采用470UF電解電容。在遲滯比較器部分，由于該鋸齒波發生器的工作頻率上限被設定為1kHz。在此頻率下工作使用集成運算放大器就能較好的實現比較功能。所以考慮到成本，直接選用LM324集成運算放大器和電阻反饋網絡組成遲滯電壓比較器。在積分電路部分，選擇LM324構成核心的積分電路。由于鋸齒波電路要求充電時間盡可能的小。同時還要滿足電路電流的限制。所以固定的電阻R5選擇510。是合適的。可變電阻R6的阻值調節上限是100kQ遠遠大于510Q可以在誤差允許的范圍內產生一定幅度、頻率的鋸齒波。考慮到電路輸出信號的頻率范圍，可以選擇0.1nF獨石電容作為積分電路的充電電容。3.3參數計算直流穩壓電源部分的電壓輸出值被三端集成穩壓芯片控制在±15V。根據電路的工作原理當電容上電壓達到遲滯電壓比較器的上下門限時電路就會翻轉，所以遲滯電壓比較器的上下門限電壓就是鋸齒波波形峰-峰值。將R「7.5k。^=12V帶入式(3.1.7)得鋸齒波電壓峰-峰值為Vpp=△匕=2土Vz=0.032R (3-8)2R2為可調電阻，其阻值變化范圍為0?5k。所以Vpp變化范圍為0?16V滿足設計要求。矩形波的輸出電壓由分壓器按比例分得土Vz獲得。其幅值可在±12V范圍內連續可調，滿足設計要求。如果忽略二極管的正向電阻，電路的振蕩周期為2RRC2R(R||R)CT=1—6—+1——6 5R2 R2(3-9)2RRC(R+2R)(3-9)R2(R5+R6)代入參數計算得，其振蕩頻率在0.02Hz?1.24kHz連續可調，滿足設計要求。3.4鋸齒波發生器總體電路圖6所示，220V市電從Ui接入。6所示，220V市電從Ui接入。Uo1輸出鋸齒kAAAAA/D1D3JL1N4Q07D2U2-C1—470pF0.33.F_LM7915CTZC2D.33/FC4QDMMliMLIFEVOLTAGSV-rKTTj^rLIWVREG100kQK?y=AR1akaUa1kAAAAA/D1D3JL1N4Q07D2U2-C1—470pF0.33.F_LM7915CTZC2D.33/FC4QDMMliMLIFEVOLTAGSV-rKTTj^rLIWVREG100kQK?y=AR1akaUa1□10 09D7D9——H——W——W-1N473BA1N4735A1H4733A1N473SA圖3.6鋸齒波發生器總體電路圖

第4章鋸齒波發生器電路仿真與調試4.1Multisim仿真與調試應用Multisim12.0仿真軟件對各部分電路進行仿真測試，便于在電路實物制作之前及時發現設計問題，改正設計錯誤、調試電路。利用仿真軟件對直流穩壓電源部分進行仿真。直流穩壓電源仿真電路如圖4.1所示。萬用表XMM1和XMM2應分別輸出+15V和-15V的穩定電壓輸出。220Vrms50HeLM7315CTD2□4不本1N40071M4007C147D(jF220:18:16CUFVOLTACELINEVREC3HUEVRECVOLTAGE220Vrms50HeLM7315CTD2□4不本1N40071M4007C147D(jF220:18:16CUFVOLTACELINEVREC3HUEVRECVOLTAGELM7M5CT圖4.1直流穩壓電源仿真電路圖直流穩壓電源仿真結果如圖4.2所示萬用表XMM1讀數為14.853V。萬用表XMM2的讀數為-14.899V。在誤差允許的范圍內實現了設計要求。可以為集成運算放大器提供穩定的電源。MuItimeter-XMhl1 表rMultimeter-XMM2 寇14.853V-14.899VMMWEEE?[?]1—1【?］【—i氾… -■-_■--.v.-■"I■7； 也:1J圖4.2直流穩壓電源仿真結果如圖4.3所示對鋸齒波和矩形波發生電路進行電路仿真。按照設計要求示波器一通道應顯示出±10V幅值的矩形波波形，二通道應顯示出±10V幅值的鋸齒波輸出。而且隨著對電位器阻值的調整，幅度、頻率均應連續可調。LM7915GT□10MRsD7D81kDKey?A——H R——□10MRsD7D81kDKey?A——H R——￡1N473SA1N47MA1N4735A1N4735A=圖4.3鋸齒波方波仿真電路鋸齒波方波仿真電路如圖4.4所示，示波器一通道應顯示出±10V幅值的矩形波波形，二通道應顯示出±10V幅值的鋸齒波輸出。而且隨著對電位器阻值的調整幅度、頻率均應連續可調。方波的上升沿和下降沿不夠陡峭。這是集成運放的響應速度低造成的。可以選用專用電壓比較器避免這種情況。由于穩壓二極管擊穿電壓存在誤差，矩形波輸出波形幅值大于10V可以通過分壓器調節。OscillDSCOpe^XSClS3圖4.4OscillDSCOpe^XSClS3圖4.4鋸齒波方波電路仿真結果4.2仿真結果分析根據仿真結果直流穩壓電源的正電壓為14.853V負電壓為-14.899V輸出電壓穩定，誤差范圍較小滿足為集成運算放大器供電的要求。根據仿真結果鋸齒波、矩形波的波形頻率均在0.02Hz?1kHz的范圍內連續可調。矩形波波形幅值在±12.3V范圍內連續可調波形輸出穩定滿足設計要求。調節鋸齒波幅值時對兩種波形的頻率會產生微弱的影響。這是由于電路的幅值和頻率受到同一個電位器的影響，通過同時調節兩個電位器可以彌補這一設計上不能回避的不利影響，其影響的范圍可以接受。鋸齒波的下降段應該更加陡峭。由于充放電電壓是恒定的，所以充電時間是由充電時接入阻容網絡的電阻阻值決定的。電阻的功率存在設計限制不能過小。所以鋸齒波的下降段只能盡可能的陡峭。方波的上升沿和下降沿不夠陡峭。這是集成運放的響應速度低造成的。可以選用專用電壓比較器避免這種情況。由于穩壓二極管擊穿電壓存在誤差，矩形波輸出波形幅值大于10V可以通過分壓器調節。不會影響電路的功能。第5章鋸齒波發生器實物制作5.1鋸齒波發生器電路焊接具體電路的布線與焊接，為了防止電路分布參數影響工作狀態產生誤差，應該盡量避免飛線，盡量縮短導線長度。為防止測試操作過程中將運放芯片的電源反接導致芯片燒毀導致安全事故。應該合理布置電源接口，并予以標注各接地電應該牢固連接并接出接口。信號輸出接口應予以符號標出。鋸齒波發生器實物布線圖如圖5.1所示。圖5.1鋸齒波發生器電路焊接布線圖￡圖5.1鋸齒波發生器電路焊接布線圖￡$=￡? ,,??---5.2鋸齒波發生器電路作品為縮小版面尺寸，應合理緊密選擇器件位置，并考慮到電位器在實際使用中需要頻繁的調節，應安放在方便調節的位置，各輸出端應合理布置測試點，電源和接地線應留出接口。為方便測試，應用圖示標出各測試接口的功能。尤其是正負電源接口，測試過程中一旦反接會導致芯片擊穿燒毀造成安全事故。如圖5.2所示，以LM324集成運算放大器為核心接地電阻直接從對應的管腳引出并牢固接地以避免干擾。正負電源接口直接從管腳引出接口并標出醒目的符號謹防反接。鋸齒波和矩形波的輸出端放置在電路板的左右兩側。同樣標以符號方便測試。圖5.2鋸齒波發生器電路實物圖第6章作品測試與數據分析本次測試采用實驗臺提供的更加穩定的±12V雙電源供電便于更好的測試、調試作品。采用雙通道數字示波器同時觀測鋸齒波和矩形波的波形。示波器各通道的接地線應與電源接地線良好連接避免干擾。如圖6.1所示，將示波器的通道一正極接入鋸齒波信號輸出端通道二的正極接入方波信號的輸入端。兩通道的接地線接入公共地端，接通雙12V電源和電源地線。為確保安全在通電測試前應仔細檢查電源線是否短接、反接，避免燒壞電源或擊穿集成芯片造成事故。檢查確定后接通雙12V穩壓電源進行全電路的測試。圖6.1鋸齒波發生電路測試圖在測試過程中出現了信號被嚴重干擾無法輸出波形的情況。經過分析，應該是穩壓電源紋波過大在測試電路中產生寄生振蕩導致的。在測試時采取了更換直流穩壓電源重新測試的方法發現并排除了故障。這一故障時仿真元件無法顯示出來的。暴露出來設計上的不周全。可以在電源端與接地端串接電源旁路電容來徹底解決這一問題。排除故障后通過使用示波器對矩形波、鋸齒波波形的觀測兩種波形干擾較小。輸出幅值頻率穩定。鋸齒波和矩形波的頻率調節范圍達到0.023Hz?1.424kHz范圍內連續可調。鋸齒波、矩形波的幅值0?10.37V范圍內連續可調。雖完全滿足設計要求。但仍然暴露出頂調電位器靈敏度過低調節十分不方便的問題。在實際使用電路中可以換用其他封裝的電位器避免這一問題。圖6.2鋸齒波矩形波波形觀測圖第7章總結本次課程設計的題目是幅度頻率可調的鋸齒波發生器。在設計過程中，從任務要求的分析、系統框架的建立、分系統的設計到總體設計，從原理圖設計到軟件仿真、電路板布線焊接到實物測試，這其中遇到許多的問題，有的是設計上考慮的不夠周全，有的是電路實現上的，在解決這些問題的過程中，我深深的領悟到了電子設計、制作、調試的奧妙，也使我對電子技術有了濃厚的興趣。從開始開發鋸齒波發生器電路，我就遇到了一些問題，比如運算放大器型號的選擇，比如電阻阻值的選擇，以及仿真軟件的學習。這也使我鍛煉了快速學習的能力，例如當時電路仿真時，出現了嚴重的波形失真現象。無論怎么調節器件參數都無濟于事。只是失真的波形在變化。與理論計算的波形相差甚遠。后來通過網上的資料了解到，使用集成運算放大器代替電壓比較器實現遲滯電壓比較工作頻率不能高于一千赫茲順利的解決了這一問題。開發設計的初級階段，由于對Multisim電路仿真軟件使用不夠熟練，通過上網查閱相關教程和查閱相關書籍，我對Multisim電路仿真軟件的使用有了進一步的認識。隨著設計的深入，逐步加深對該軟件