模電三角波正弦波課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、學(xué) 號(hào)：課程設(shè)計(jì)題目方波二角波正弦波函數(shù)發(fā)生器設(shè)計(jì)學(xué)院國(guó)際教育學(xué)院專業(yè)通信工程班級(jí)通信gj0801姓名羅云月指導(dǎo)教師撒繼銘2011年 1 月 23 日課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名：羅云月專業(yè)班級(jí)：通信gj0801指導(dǎo)教師：撒繼銘工作單位：信息工程學(xué)院題目：方波-三角波-正弦波函數(shù)信號(hào)發(fā)生器初始條件：集成運(yùn)放UA741,電阻,電容,可變電位器，NPN型晶體三極管,單刀雙擲開(kāi)關(guān).電壓為+8v的電源,電壓為-8v的電源.電路仿真軟件EWB等要求完成的主要任務(wù)：設(shè)計(jì)完成的電路要求輸出方波，三角波,正弦波(1) 輸出的頻率范圍為 110H Z, 10100H Z, 1001000HZ(2) 輸出的電壓值 方波

2、峰峰值16v,三角波峰峰值4v,正弦波峰峰值大于1v(3) 波形特性，:要求正弦波和三角波的非線性失真度較小(包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書撰寫等具體要求)時(shí)間安排:第19周:理論講解.地點(diǎn):鑒三202第20周:理論設(shè)計(jì).仿真調(diào)試.撰寫試驗(yàn)報(bào)告,準(zhǔn)備答辯 第21周:答辯指導(dǎo)教師簽名:2011年1 月11系主任(或責(zé)任教師)簽名：年 月 日目 錄摘要分析工作原理及作圖3第一章方案的選擇41.1 各個(gè)方案的原理框圖1.2 各個(gè)方案的比較及確定方案第二章各部分電路設(shè)計(jì) (3)2.1 方 波 發(fā) 生 電 路 的 工 作 原理2.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理 (3)2.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)

3、換電路的工作原理 (6)2.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算 (8)第三章 函數(shù)發(fā)生器的總電路圖 (1)第四章電路仿真(11)4.1方波-三角波發(fā)生電路的仿真 (11)4.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的仿真(12)第五章電路的安裝與調(diào)試 (13)5.1方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試 (13)5.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試(13)5.3總電路的安裝與調(diào)試 (13)5.4電路安裝與調(diào)試中遇到的問(wèn)題及分析解決方法 (13)第六章電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(14)6.1方波-三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (14)6.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (14)6.3實(shí)測(cè)電路波形、誤差分析及改進(jìn)方法(15)第七章實(shí)驗(yàn)總結(jié)

4、 (17)第八章 儀器儀表明細(xì)清單(18)第九章參考文獻(xiàn)(19)摘要函數(shù)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電 壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使 用的器件可以是分立器件 (如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可 以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊 8038)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及 實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方 波一三角波一正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。本課題采用先產(chǎn)生方波一三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方 法。由比較器和積分器組成方波一三角波產(chǎn)生電路，比較器輸

5、出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由差分放大器來(lái)完成。差分放大器具 有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放大器時(shí)， 可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換 的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。第一章方案的選擇1采用集成片ICL8038做函數(shù)信號(hào)發(fā)生器電壓比較器 B緩沖器圖一 ICL8038原理圖ICL8038是一種集成度很高的芯片，只需要外加少量調(diào)整電路即可以獲得完美 的方波-三角波-正弦波的波形2采用振蕩電路獲得正弦波，再由比較器獲得方波，最后通過(guò)積分電路獲得三角波圖二函數(shù)發(fā)生器原理一3采用比較器和積分器

6、分別獲得方波和三角波，再用晶體三極管組成的差分放大電路做三角波到正弦波的轉(zhuǎn)換波形變換的原理是利用差分放大傳輸特性的非線 性,傳輸特性曲線越對(duì)稱，并且線性區(qū)間越窄越好三角波的幅值應(yīng)該接近晶體管 的截止電壓值圖三函數(shù)發(fā)生器原理二框圖以上的三種方案，其中方案一十分的簡(jiǎn)單，只需要購(gòu)買一片ICL8038和少量電 阻和電容即可.方案二和方案三，有一個(gè)共同之處是都需要搭建波形變換電路.理論上說(shuō),都是簡(jiǎn)單可行的但是考慮到ICL8038的市場(chǎng)價(jià)格較高,因此拋棄第一種方 案.但是方案二是使用RC橋式正弦波振蕩器作為整個(gè)電路的基礎(chǔ)，考慮到正弦振蕩 電路的穩(wěn)定性，因此選擇方案三做為最終的方案.第二章各組成部分的工作原

7、理2.1方波發(fā)生電路的工作原理圖四 方波一三角波產(chǎn)生電路此電路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(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)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(guò)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(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng) t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz;但是，一旦 Un=+Ut,再稍增大，Uo 從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，女口 圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz ;但是，一旦

8、Un=-Ut,再減小，Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述 過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。2.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的工作原理艮Rp1U o2m4R2RRp2 )C1幾Joip AUia-S0 Uia+Il 1:>Uld-Vcc圖五 遲滯比較器電壓傳輸特t圖六三角波發(fā)生器的工作波形工作原理如下：若a點(diǎn)斷開(kāi)，運(yùn)算發(fā)大器 A1與R1、R2及R3 RP1組成電壓比較器，C1為加速電容，可加速 比較器的翻轉(zhuǎn)。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，R1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

9、負(fù)電源電壓 -Vee(|+Vcc|=|-Vee|),當(dāng)比較器的U+=U-=O時(shí)，比較器翻轉(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。設(shè)Uo仁+Vcc,則R2R2RRVcc)R3 RRR2 Rg RRUia將上式整理，得比較器翻轉(zhuǎn)的下門限單位 Uia-為Uiaj(Vcc)VccR3 RRRs RR若Uo仁-Vee,則比較器翻轉(zhuǎn)的上門限電位Uia+為UiaVee)R3R2RRVCC比較器的門限寬度Uh Uia UiaR2R3 RRCC由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性，如圖五所示。a點(diǎn)斷開(kāi)后，運(yùn)放 A2與R4、RR2 C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波U

10、o1，則積分器的輸出1U02 為 UO2UO1dt(民 RP2)C2U O1Vcc 時(shí)，Uo2( VCC)tVCCt(民 RP>)C2(R4 RP2)C2U O1(Vee)丄Vcc丄Vee 時(shí)，U o2tt(R4 RP2)C2(& RP2)C2可見(jiàn)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相等的三角波，其波形關(guān)系圖六所示。a點(diǎn)閉合，既比較器與積分器首尾相連，形成閉環(huán)電路，則自動(dòng)產(chǎn)生方波-三角波。三角波的幅度為U°2mR2RRVCC方波-三角波的頻率f為R3 RR4R2(Rt RF2)C2由以上兩式可以得到以下結(jié)論：1. 電位器RF2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)

11、，不會(huì)影響輸出波形的幅度。若要求輸出頻率的范圍較寬，可用 C2改變頻率的范圍，F(xiàn)R2實(shí)現(xiàn)頻率微調(diào)。2. 方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓 +Vcc。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過(guò)電源電壓+Vcc。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度微調(diào)，但會(huì)影響方波-三角波的頻率。2.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的工作原理-TI'34C-2Clu圖七三角波一一正弦波的變換電路主要由差分放大電路來(lái)完成。差分放大器具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是作為直流放 大器，可以有效的抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。分析表明，傳輸特性曲線的表達(dá)式為:

12、al e 2al o1eUid/UT1C1 al E1al o1 eUid/UT式中Io 差分放大器的恒定電流;如果Ut 溫度的電壓當(dāng)量，當(dāng)室溫為Uid為三角波，設(shè)表達(dá)式為U.4Um tT4UmT3T425oc 時(shí)，UA 26mV式中 Um三角波的幅度；T三角波的周期。為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見(jiàn)：（1）傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)越窄越好；（2）三角波的幅度 Um應(yīng)正好使晶體管接近飽和區(qū)或截止區(qū)。（3）圖為實(shí)現(xiàn)三角波一一正弦波變換的電路。其中Rp1調(diào)節(jié)三角波的幅度，Rp2調(diào)整電路的對(duì)稱性，其并聯(lián)電阻RE2用來(lái)減小差分放大器的線性區(qū)。電容C1,C2,C3為隔直電容, C4為濾波電容，以濾除

13、諧波分量，改善輸出波形。圖八正弦波發(fā)生器的工作波形2.4電路的參數(shù)選擇及計(jì)算1.方波-三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）實(shí)物連線中，我們一開(kāi)始很長(zhǎng)時(shí)間出不來(lái)波形，后來(lái)將C2從10uf （理論時(shí)可出來(lái)波形）換成0.1uf時(shí)，順利得出波形。實(shí)際上，分析一下便知當(dāng)C2=10uf時(shí)，頻率很低，不容易在實(shí)際電路中實(shí)現(xiàn)。U 02mR22.R3RRVCC3.-正弦波部分計(jì)算比較器A1與積分器A2的元件計(jì)算如下。U 02mR2R3RRVCC即一R3 RRU O2mVcc12取 R2 10K ，則 R3 RR 30K ，取 R3 20K,RR1為47KQ的點(diǎn)位器。區(qū)平衡電阻 R R2(R3 RR) 10K由

14、式(3-62 ) fR3 RR4 R2 (R4 RR> )C2即 R4 RRR3 RR4 R2C2當(dāng) 1HZ f 10 時(shí)，取 C2 10 F，則民 RF2 (757.5)k ，取 & 5.1k ，為 100KQ電位器。當(dāng)10Hz f 100時(shí)，取C2 1 F以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換， R4及RP2的取值不變。取平衡電阻 R510k。三角波一 正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3 C4 C5要取得較大，因?yàn)檩敵鲱l率很低，取 C3 C4 C5 470 F，濾波電容C6視輸出的波形而定，若含高次斜波成分較多，C6可取得較小，C6 一般為幾十皮法至 0.1微法。RE2=100歐與R

15、R=100歐姆相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的幾靜態(tài)工作點(diǎn)可通過(guò)觀測(cè)傳輸特性曲線，調(diào)整RR及電阻R確定。第三章函數(shù)發(fā)生器的總方案圖九函數(shù)發(fā)生器總設(shè)計(jì)圖第四章仿真結(jié)果1 三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器波形圖十 三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器波形2 方波-三角波函數(shù)發(fā)生器波形圖十一方波-三角波函數(shù)發(fā)生器波形第五章電路的安裝與調(diào)試5.1方波-三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試1. 按裝方波一一三角波產(chǎn)生電路1. 把兩塊741集成塊插入面包板，注意布局；2. 分別把各電阻放入適當(dāng)位置，尤其注意電位器的接法;3. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。2. 調(diào)試方波一一三角波產(chǎn)生電路1. 接入電源后，用示波器進(jìn)

16、行雙蹤觀察；2. 調(diào)節(jié)RP1,使三角波的幅值滿足指標(biāo)要求；3. 調(diào)節(jié)RP2微調(diào)波形的頻率；4. 觀察示波器，各指標(biāo)達(dá)到要求后進(jìn)行下一部按裝。5.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的安裝與調(diào)試1. 按裝三角波一一正弦波變換電路1. 在面包板上接入差分放大電路，注意三極管的各管腳的接線；2. 搭生成直流源電路，注意 R*的阻值選?。?. 接入各電容及電位器，注意 C6的選??；4. 按圖接線，注意直流源的正負(fù)及接地端。2. 調(diào)試三角波一一正弦波變換電路1. 接入直流源后，把 C4 接地，利用萬(wàn)用表測(cè)試差分放大電路的靜態(tài)工作點(diǎn)；2. 測(cè)試V1、V2的電容值，當(dāng)不相等時(shí)調(diào)節(jié)RP4使其相等；3. 測(cè)試V3 V4的電

17、容值，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求；4. 在C4端接入信號(hào)源，利用示波器觀察，逐漸增大輸入電壓，當(dāng)輸出波形剛好不失真時(shí)記入其最大不失真電壓；5.3總電路的安裝與調(diào)試1. 把兩部分的電路接好，進(jìn)行整體測(cè)試、觀察2. 針對(duì)各階段出現(xiàn)的問(wèn)題，逐各排查校驗(yàn)，使其滿足實(shí)驗(yàn)要求，即使正弦波的峰峰值大于1V。5.4調(diào)試中遇到的問(wèn)題及解決的方法方波-三角波-正弦波函數(shù)發(fā)生器電路是由三級(jí)單元電路組成的，在裝調(diào)多級(jí)電路時(shí)通常按照單元電路的先后順序分級(jí)裝調(diào)與級(jí)聯(lián)。1.方波-三角波發(fā)生器的裝調(diào)由于比較器A與積分器A組成正反饋閉環(huán)電路，同時(shí)輸出方波與三角波，這兩個(gè)單元電路可 以同時(shí)安裝。需要注意的是，安裝電位器FP1與R>2

18、之前，要先將其調(diào)整到設(shè)計(jì)值，如設(shè)計(jì)舉例題中，應(yīng)先使 FP1=10KQ ,Rp2取（2.5-70 ） KQ內(nèi)的任一值，否則電路可能會(huì)不起振。只要電路 接線正確，上電后，UO1的輸出為方波，Ub2的輸出為三角波，微調(diào)FP1,使三角波的輸出幅度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求有，調(diào)節(jié)FP2,則輸出頻率在對(duì)應(yīng)波段內(nèi)連續(xù)可變。2 .三角波-正弦波變換電路的裝調(diào)按照?qǐng)D3 75所示電路，裝調(diào)三角波一正弦波變換電路，其中差分發(fā)大電路可利用課題三 設(shè)計(jì)完成的電路。電路的調(diào)試步驟如下。（1）經(jīng)電容C4輸入差摸信號(hào)電壓 Uid=50v , Fi =100Hz正弦波。調(diào)節(jié) Rp4及電阻R*,是 傳輸特性曲線對(duì)稱。在逐漸增大Uid。直

19、到傳輸特性曲線形狀入圖3 73所示，記 下次時(shí)對(duì)應(yīng)的Uid即Uidm值。移去信號(hào)源，再將C4左段接地，測(cè)量差份放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)10 ,Uc1,Uc2,Uc3,Uc4.（2）Rp3與C4連接，調(diào)節(jié)Rp3使三角波俄 輸出幅度經(jīng)Rp3等于Uidm值，這時(shí)Uo3的 輸 出波形應(yīng) 接近 正弦波，調(diào)節(jié) C6大小可改善輸出波形。如果 Uo3的 波形出現(xiàn)如圖376所 示的幾種正弦波失真，則應(yīng)調(diào)節(jié)和改善參數(shù)，產(chǎn)生是真的原因及采取的措施有；1 ）鐘形失真如圖（a）所示，傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬，應(yīng)減小Re22） 半波圓定或平頂失真如圖（b）所示，傳輸特性曲線對(duì)稱性差，工作點(diǎn) Q偏上或 偏下，應(yīng)調(diào)整電阻 R*.3

20、） 非線性失真 如圖（C）所示，三角波傳輸特性區(qū)線性度差引起的失真，主要是受到運(yùn)放的影響?？稍谳敵龆思訛V波網(wǎng)絡(luò)改善輸出波形。(3) 性能指標(biāo)測(cè)量與誤差分析1 )放波輸出電壓 Up- p=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)，兩管輪流截止與飲和導(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。2 )方波的上升時(shí)間 T,主要受預(yù)算放大器的限制。如果輸出頻率的限制?？山佣砑铀匐娙軨1, 一般取C1為幾十皮法。用示波器或脈沖示波器測(cè)量T第六章電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.1方波-三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果C=0.01uffmin=4138HZfmax=8333H

21、ZC=0.1uffmin=198HZfmax=1800HZC=1uffmin=28HZfmax=207HZ圖十二方波-三角波發(fā)生電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.2三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果R=15KQVc仁Vc2=5.530VVc3=-0.6218VVc4=-10.307VIc1=lc2= 0.6813mA圖十三三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析模擬仿真(R*= 13 K )Vc1=Vc2=4.358VVc3=-0.831VVc4=-9.028Vlc1=lc2=0.5368mA圖十四三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析報(bào)告6.3實(shí)測(cè)電路波形、誤差分析及改進(jìn)方法將C6替換為由兩個(gè)F串聯(lián)或直接拿

22、掉C1 =FU=54mvC1 =Uo=2.7v >1vFU=54mvUo=2.8v>1v第七章實(shí)驗(yàn)總結(jié)一個(gè)禮拜的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，在這一星期的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、焊接過(guò)程中我感觸頗深。 這次課程設(shè)計(jì)，讓我學(xué)會(huì)了如何如選擇和設(shè)計(jì)電路 動(dòng)手能力和使用電路軟件的能力得到了一定的提高.使我對(duì)抽象的理論有了具 體的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我掌握了常用元件的識(shí)別和測(cè)試；熟 悉了常用的儀器儀表；了解了電路的連接、焊接方法；以及如何提高電路的性能等等在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們遇到了不少的問(wèn)題。比如：波形失真，甚至不出波形這樣的問(wèn)題。我也發(fā)現(xiàn)自己并不能夠熟練的使用自己所學(xué)到的模電知識(shí)再有后的學(xué)習(xí)中