課程設(shè)計(jì)——波形發(fā)生器

1、簡易波形發(fā)生器1.概述波形發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對(duì)函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。本課程采用采用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三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。2設(shè)計(jì)方案采用RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的

2、正弦波方波三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過積分電路形成三角波。文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出，其特點(diǎn)是采用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)，其振蕩頻率f=1/2RC.改變RC的值，可得到不同的頻率正弦波信號(hào)輸出。用集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，將正弦波變換成方波輸出。用運(yùn)放構(gòu)成積分電路，將方波信號(hào)變換成三角波。原理框圖如圖2-1文氏橋振蕩器方波形成電路三角波形成電路頻率選擇控制直流電源圖2-1設(shè)計(jì)方案一框圖3. 設(shè)計(jì)原理3.1正弦波產(chǎn)生電路正弦波由RC橋式振蕩電路（如圖3-1所示），即文氏橋振蕩電路產(chǎn)生。文氏橋振蕩器具有電路簡單、易起振、

3、頻率可調(diào)等特點(diǎn)而大量應(yīng)用于低頻振蕩電路。正弦波振蕩電路由一個(gè)放大器和一個(gè)帶有選頻功能的正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其振蕩平衡的條件是AF1以及a+f=2n。其中A為放大電路的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)。振蕩開始時(shí)，信號(hào)非常弱，為了使振蕩建立起來，應(yīng)該使AF略大于1。 放大電路應(yīng)具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻以減少放大電路對(duì)選頻特性的影響，使振蕩頻率幾乎僅決定于選頻網(wǎng)絡(luò)，因此通常選用引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大電路。正反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電壓Uf是同相比例運(yùn)算電路的輸入電壓，因而要把同相比例運(yùn)算電路作為整體看成電路放大電路，它的比例系數(shù)是電壓放大倍數(shù)，根據(jù)起振條件和幅值平衡條件有 （Rf=R2+R1/D1/D

4、2） 且振蕩產(chǎn)生正弦波頻率圖中D1、D2的作用是，當(dāng)Vo1幅值很小時(shí)，二極管D1、D2接近開路，近似有Rf9.1K2.7K11.8K，Av=1+Rf/R1=3.3>=3,有利于起振；反之當(dāng)Vo的幅值較大時(shí)，D1或D2導(dǎo)通，Rf減小，Av隨之下降，Vo1幅值趨于穩(wěn)定。3-1正弦波產(chǎn)生電路3.2 正弦波方波產(chǎn)生電路如圖,Vo1為正弦信號(hào)輸入，經(jīng)過遲滯比較器u2后輸出方波Vo2。電路工作原理：運(yùn)放同相端接基準(zhǔn)電壓，即U+=0,反相端輸入電壓Vo1，R8稱為平衡電阻。當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，輸出Vo2從高電平跳到低電平,或從低電平跳到高電平。此時(shí) 由于Vo2=±Vz,可得上、下門限

5、電壓為 正弦波輸入信號(hào)Vo1在上升到Vt+之前，Vo2保持不變，超過Vt+后Vo2翻轉(zhuǎn)，直到Vo1下降到Vt-，Vo2再翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)便形成Vo2方波輸出。圖3-2 正弦波三角波產(chǎn)生電路3.3 方波三角波變換電路 圖3-3 方波三角波變換電路 此電路由反相輸入的過零比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過R3對(duì)電容C正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長而逐漸增高，當(dāng)t趨于無窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un0,Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與

6、此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長而減低，當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un0,Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開始正相充電。上述過程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。±UT=±R2(R6+RW)U02m T=2R6(R6+RW)C3R7運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R6稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻

7、轉(zhuǎn)，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性.當(dāng)輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出Uo3為Uo=+Uz,D5導(dǎo)通,D6截止，Uo3=-1/(R6C)Uz(t1-t0)+Uo(t0)Uo=-Uz,D6導(dǎo)通,D5截止,Uo3=1/(R6+Rw')Uz(t2-t1)+Uo(t1)可見積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度不相等的占空比可調(diào)的三角波.經(jīng)計(jì)算，如果選R6=1k,則R7=10K，C=100nF.三角波圖與方波圖3-4所示：圖3-4 方波與三角波3.4正弦波方波三角波發(fā)生電路 圖4-5 完整波形發(fā)生器電

8、路圖3.5 電源電路設(shè)計(jì)制作方法是利用橋式整流器與穩(wěn)壓IC搭配適當(dāng)規(guī)格之電容構(gòu)成整流電路，將一般常用之220伏特電源轉(zhuǎn)為±15Vdc之電源，其電路圖如圖8所示，220伏特電源經(jīng)橋式整流器后，利用三端穩(wěn)壓IC7815與7915將電壓值調(diào)整至±15Vdc，其中7815為正電壓調(diào)整器用以穩(wěn)定電壓至15V,7915則進(jìn)行負(fù)電壓調(diào)整。圖3-6 供電電路4 主要元器件的工作原理及參數(shù)4.1 變壓器變壓器是電子電路，用來升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應(yīng)技術(shù),變壓器有兩個(gè)分別獨(dú)立的共用一個(gè)鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級(jí)線圈和初級(jí)線圈。電流的方向和大小隨時(shí)間變化的,變壓器初級(jí)通

9、上交流電時(shí),變壓器的鐵芯中產(chǎn)生了交變的磁場（其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈），在次級(jí)就感應(yīng)出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級(jí)線圈的匝數(shù)比等于電壓比。變壓器只能改變交流電壓,不能改變直流電壓,因?yàn)橹绷麟娏魇遣粫?huì)變化的,電流通過變壓器不會(huì)產(chǎn)生交變的磁場，所以次級(jí)線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流和電壓。變壓器的主要參數(shù)：電壓比 n=U1/U2=N1/N2效 率 =P2/P1*100%額定功率 P4.2 橋式整流電路 橋式整流電路由四個(gè)二極管組成，如圖4-1所示。圖4-1 橋式整流電路工作原理： U2正半周時(shí): D1、D3導(dǎo)通， D2、D4截止 U2負(fù)半周時(shí)：D2、D4

10、導(dǎo)通， D1 、D3截止主要參數(shù)：輸出電壓平均值：UL=0.9U2輸出電流平均值:IL= UL/RL =0.9U2/ RL 流過二極管的平均電流：ID=IL/2二極管承受的最大反向電壓：25V1000V4.3 三端穩(wěn)壓器該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有電流過流過熱和調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)電路，以防止過載而損壞，用它來組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡單，且安全可靠。4.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓器二極管也叫齊納二極管，穩(wěn)壓原理：給穩(wěn)壓二極管施加反向電壓并使其值增大，當(dāng)反向電壓之值達(dá)到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓時(shí)，其正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范圍內(nèi)改變電源電壓的波動(dòng)或改變負(fù)載電流的大小，齊納電流IZ和動(dòng)態(tài)電阻隨之而改變，

11、然而，齊納電壓UZ卻穩(wěn)定不變。穩(wěn)壓二極管串聯(lián)一個(gè)電阻來提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓VREF，其中穩(wěn)壓二極管選用1N4735，其穩(wěn)定電壓為6.2V，限流電阻R13選用1K。穩(wěn)壓二極管1N4735的重要參數(shù)：最大工作電流IZM穩(wěn)定電壓UZ動(dòng)態(tài)電阻RZ4.5 集成運(yùn)算放大器集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，如下圖4-2表示集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。差分輸入級(jí)電壓放大級(jí)輸出級(jí)偏置電流 圖4-2 集成運(yùn)放的內(nèi)部 電路組成的原理框圖 如圖4-2集成運(yùn)放的輸入級(jí)一般是由BIT、JFET或MOSFET組成的差分式

12、放大電路，利用它的對(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個(gè)輸入端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益，它可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成。輸出級(jí)一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為個(gè)級(jí)提供合適的工作電流。其代表符號(hào)和輸入輸出傳輸特性如圖4-3所示。 VT-VT+圖4-3 集成運(yùn)放符號(hào)和傳輸特性5. 心得體會(huì)一周的課程設(shè)計(jì)很快就結(jié)束了，但其過程可謂曲折艱難，通過本周的課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到課本上的知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了思考和解決實(shí)際問題的能力。這是我第一次做課程設(shè)計(jì)，給我留下了很深的印

13、象。雖然只是短暫的一周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。這次課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識(shí)到了知識(shí)和實(shí)踐的重要性。只有牢固掌握了所學(xué)的知識(shí)，才能有清晰的思路，知道每一步該怎樣走。才能順利的解決每一個(gè)問題。就以這次課程設(shè)計(jì)為例，剛拿到題目的時(shí)候，大致看一下要求，根據(jù)平時(shí)所學(xué)的知識(shí)，腦海中就立刻會(huì)想到應(yīng)該用到的元器件，然后再去圖書館去查這些元器件的資料，很快地初步方案以及大概的電路原理圖就出來了。但是，在具體的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，我卻不知道為什么，從而明白了自己基礎(chǔ)知識(shí)掌握得不牢固。還好由老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助，才使我順利的完成此次課程設(shè)計(jì)所以，這次課程設(shè)計(jì)在讓我認(rèn)識(shí)了知識(shí)的重要性之外，更讓我明白了自己理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)的欠缺，讓我堅(jiān)定了以后努力學(xué)習(xí)知識(shí)的決心。參考文獻(xiàn)1 何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).浙江大學(xué)出版社，2001年6月2 姚福安，電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐.山東科技技術(shù)出版社，2001年10月3 王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)實(shí)踐.東南大學(xué)出版社，1999年10月4 李銀華，電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京航空航天大學(xué)出版社，2005年6月5 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出