波形發(fā)生器課程設(shè)計(jì)

1、摘要本設(shè)計(jì)介紹了波形發(fā)生器的制作和設(shè)計(jì)過(guò)程,并根據(jù)輸出波形特性研究該電路的可行性。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種能產(chǎn)生方波、三角波的模塊電路,包括了原理圖。該電路有主要由LM741CN集成運(yùn)放，積分電路，滯回比較器，RC振蕩器，通過(guò)用雙蹤示波器來(lái)確定波形的幅值及可調(diào)占空比的上限及下限。重點(diǎn)闡述了矩形波發(fā)生器、寬度可調(diào)的矩形波發(fā)生器及三角波發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了單元電路的制作和工作過(guò)程并用Multisim軟件進(jìn)行了調(diào)試，調(diào)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的電路是可行的。關(guān)鍵詞；波形發(fā)生器 Multisim 滯回比較器 RC振蕩器 LM741CN集成運(yùn)放引言隨著社會(huì)的發(fā)展，各種穩(wěn)定的波形產(chǎn)生器成為了我們生活中不可

2、或缺的一部分,而方波也是其中比較有代表性的一個(gè)波形。設(shè)計(jì)任務(wù)和要求:要求：2) 了解集成電路和集成運(yùn)放的基本知識(shí)； 1) 設(shè)計(jì)電路原理圖并畫出3) 學(xué)會(huì)使用仿真軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真；設(shè)計(jì)并用分立元件和集成運(yùn)算放大器制作能產(chǎn)生方波和三角波波形的波形發(fā)生器?；局笜?biāo)： 輸出頻率分別為：102HZ、103HZ；輸出電壓峰峰值VPP20V1. 整體電路設(shè)計(jì)1）信號(hào)發(fā)生器:信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來(lái)表示，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波。通過(guò)模擬電子技術(shù)設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器是一個(gè)不需

3、要外加輸入信號(hào)，靠自身振蕩產(chǎn)生信號(hào)的電路。 2）電路設(shè)計(jì)：整體電路由RC振蕩電路，反相輸入的滯回比較器和積分電路組成。理由：a）矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，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； b）產(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋； c）輸出狀態(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來(lái)確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。RC振蕩電路：即作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋電路，通過(guò)RC充放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。反相輸入的滯回比較器：矩形波產(chǎn)生的重要組成部分。積分電路：將方波變?yōu)槿遣ā?3）整體電路框圖：為實(shí)現(xiàn)方波，三角波的輸出

4、,先通過(guò) RC振蕩電路，反相輸入的滯回比較器得到方波，方波的輸出，是三角波的輸入信號(hào)。三角波進(jìn)入積分電路，得出的波形為所求的三角波。其電路的整體電路框圖如圖1所示： RC振蕩電路積分電路方波三角波反相輸入的滯回比較器生成生成輸入積分電路輸入圖14）單元電路設(shè)計(jì)及元器件選擇a） 方波產(chǎn)生電路根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)電路產(chǎn)生振蕩，通過(guò)RC電路和滯回比較器時(shí)將產(chǎn)生幅值約為12V的方波，因?yàn)榉€(wěn)壓管選擇1N4742A（約12V）。電壓比較電路用于比較模擬輸入電壓與設(shè)定參考電壓的大小關(guān)系，比較的結(jié)果決定輸出是高電平還是低電平。滯回比較器主要用來(lái)將信號(hào)與零電位進(jìn)行比較，以決定輸出電壓。圖3為一種滯回電壓比較器電路，

5、雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，R3起限流作用，R2和R1構(gòu)成正反饋，運(yùn)算放大器當(dāng)up>un時(shí)工作在正飽和區(qū)，而當(dāng)un>up時(shí)工作在負(fù)飽和區(qū)。從電路結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)輸入電壓uin小于某一負(fù)值電壓時(shí)，輸出電壓uo= -UZ；當(dāng)輸入電壓uin大于某一電壓時(shí)，uo= +UZ。運(yùn)算放大器在兩個(gè)飽和區(qū)翻轉(zhuǎn)時(shí)up=un=0，由此可確定出翻轉(zhuǎn)時(shí)的輸入電壓。up用uin和uo表示，有根據(jù)翻轉(zhuǎn)條件，令上式右方為零，得此時(shí)的輸入電壓Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖4所示。設(shè)輸入電壓初始值小于-Uth，此時(shí)uo= -UZ ；增大uin，當(dāng)uin=Uth時(shí)，運(yùn)放輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，進(jìn)入正飽和區(qū)。如果初

6、始時(shí)刻運(yùn)放工作在正飽和區(qū)，減小uin ，當(dāng)uin= -Uth時(shí)，運(yùn)放則開始進(jìn)入負(fù)飽和區(qū)。 圖3 滯回電壓比較器圖4 滯回電壓比較器的直流傳遞特性如果給圖3所示電路輸入三角波電壓，其幅值大于Uth ，設(shè)t = 0時(shí)，uo= -UZ ，其輸出波形如圖5所示?？梢?，輸出為方波。圖5 輸入為三角波時(shí)滯回電壓比較器的輸出波形b）方波三角波發(fā)生電路給圖3所示的滯回電壓比較器級(jí)聯(lián)一積分電路，再將積分器的輸出作為比較器的輸入，如圖6所示。由于積分電路可將方波變?yōu)槿遣?，而比較器的輸入又正好為三角波，因此可定性判斷出，圖6電路的輸出電壓uo1為方波，uo2為三角波，如圖7所示。圖6 方波三角波發(fā)生電路下面分析其

7、振蕩周期。積分器輸出電壓從-Uth增加到+Uth所需的時(shí)間為振蕩周期T的一半，由積分器關(guān)系式或注意到，故振蕩頻率則為 圖7方波三角波發(fā)生電路的輸出波形c）元器件選擇1）通用型集成單運(yùn)放LM741CN   電路所用的運(yùn)放選用LM741CN,LM741CN的管腳圖如圖所示，其特點(diǎn)是電壓適應(yīng)范圍較寬，可在±5±18V范圍內(nèi)選用；具有很高的輸入共模、差模電壓，電壓范圍分別為±15V和±30V；內(nèi)含頻率補(bǔ)償和過(guò)載、短路保護(hù)電路；可通過(guò)外接電位器進(jìn)行調(diào)零. 波形發(fā)生器用到得腳位為.6.7 腳位2：INV.INPUT 腳位3：NON-IN

8、V.INPUT 腳位4: V- 腳位6：OUTPUT 腳位7：V+圖2 LM741管腳分布2）穩(wěn)壓二極管雙穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓根據(jù)方波幅值選取，由設(shè)計(jì)要求可取12伏特的穩(wěn)壓二極管,本次試驗(yàn)采用的1N4742A穩(wěn)壓二極管。3）電阻電阻R4根據(jù)雙穩(wěn)壓二極管的最大電流確定,此處可取10 kW，其他電阻分別有10K電阻，120K電阻和25K電阻。4）電容電容C根據(jù)振蕩頻率要求確定，本次實(shí)驗(yàn)采用的100nF和10nF兩種電容。5）由式,令R1=25KW,為達(dá)到所要求的頻率,可求得三組值:當(dāng)頻率為100HZ時(shí),R2=130KW R3=130KW C=10nF當(dāng)頻率為1000HZ時(shí),R2=130KW R3=

9、130KW C=100nF7）原件：元件數(shù)量元件數(shù)量LM741H2120K電阻210K電阻5104陶瓷電容125K電阻1103陶瓷電容11N4742A2單刀雙擲開關(guān)1錫線若干8)系統(tǒng)的電路總圖:4、仿真及仿真結(jié)果仿真是通過(guò)Multisim軟件進(jìn)行的。仿真電路測(cè)試過(guò)程：仿真頻率為100HZ的方波和三角波的波形圖: （幅值足夠）仿真頻率為1000HZ的方波和三角波的波形圖: 仿真數(shù)據(jù)表三角波U1方波U2100HZ峰-峰值/V25.44925.3821000HZ峰-峰值/V25.44279.295b通過(guò)閉合開關(guān)選擇合適的電容使三角波的幅值和方波的頻率滿足指標(biāo)要求；c觀察示波器,波形穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。設(shè)

10、計(jì)數(shù)據(jù)：方波幅值輸出頻率f1輸出頻率f2理論數(shù)據(jù)12V100HZ1000HZ仿真數(shù)據(jù)12.566V107HZ1000HZ實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)11.911V101HZ998HZ6.誤差分析：誤差的來(lái)源主要有系統(tǒng)誤差（固有誤差）和偶然誤差（隨機(jī)誤差）。而產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的原因有：儀器本身的缺陷、理論公式和測(cè)量方法的近似性、環(huán)境的改變和個(gè)人存在的不良測(cè)量習(xí)慣等。系統(tǒng)誤差來(lái)源有工具誤差、裝置誤差、人身誤差、外界誤差、方法誤差等。偶然誤差主要是某種未知的偶然因素對(duì)實(shí)驗(yàn)者、儀器、被測(cè)物理量的影響而產(chǎn)生的。本設(shè)計(jì)中，器件實(shí)際測(cè)量參數(shù)跟理論參數(shù)不吻合是引起誤差的最大原因。如電路中的電阻R,它影響了輸出電壓的大小,如果R取合適

11、值,三角波和方波輸出波形不失真,而R出現(xiàn)少許改變的時(shí)候,會(huì)使輸出電壓和輸出頻率出現(xiàn)很大的誤差.7.總結(jié)本設(shè)計(jì)作品的優(yōu)點(diǎn)有如下幾點(diǎn)：一.電路只有一個(gè)延遲環(huán)節(jié),延遲時(shí)間短.二.由于積分電路引入了深度電壓負(fù)反饋,所以在負(fù)載電阻相當(dāng)大的變化范圍里,三角波電壓幾乎不變.本設(shè)計(jì)作品的不足之處主要是：一.方波輸出電壓小于2Vcc是因?yàn)檫\(yùn)放輸出極有PNP型兩種晶體組成復(fù)合互補(bǔ)對(duì)稱電路輸出方波時(shí),兩管輪流截止或飲和導(dǎo)通,由于導(dǎo)通時(shí)輸出電阻的影響,使方波輸出度小于電源電壓值.二.受運(yùn)放影響,三角波傳輸特性區(qū)線性度差容易引起失真.以后可能改進(jìn)的方案：在電路上加上保護(hù)電路,在三角波輸出端加上濾波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形.參考文獻(xiàn)1、童詩(shī)白、華成英，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2、周譽(yù)昌、蔣力立