模擬電子方波—正弦波—三角波轉(zhuǎn)換全解

1、第1章緒論1.1簡介在人們熟悉自然、改造自然的過程中,經(jīng)常需要對各種各樣的電子信號進(jìn)行測量,因而如何根據(jù)被測量電子信號的不同特征和測量要求,靈活、快速的選用不同特征的信號源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題.信號源主要給被測電路提供所需要的信號各種波形,然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù).可見信號源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)測試處理中,它不是測量儀器,而是根據(jù)使用者的要求,作為鼓勵源,仿真各種測試信號,提供應(yīng)被測電路,以滿足測量或各種實(shí)際需要.波形發(fā)生器就是信號源的一種,能夠給被測電路提供所需要的波形.傳統(tǒng)的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù),由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成,其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不能根據(jù)實(shí)際需要靈活

2、擴(kuò)展.隨著微電子技術(shù)的開展,運(yùn)用單片機(jī)技術(shù),通過巧妙的軟件設(shè)計(jì)和簡易的硬件電路,產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、三角波、鋸齒等幅值可調(diào)的信號.與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比擬而言,產(chǎn)生的數(shù)字信號干擾小,輸出穩(wěn)定,可靠性高,特別是操作簡單方便.根據(jù)用途不同,有產(chǎn)生三種或多種波形的波形發(fā)生器,使用的器件可以是分立器件如低頻信號函數(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.信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器,在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用.各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示.能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波含方波、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器.它用于產(chǎn)生被

3、測電路所需特定參數(shù)的電測試信號.在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí),為測定電路的一些電參量,如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù),為電壓表定度等,都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號,以模擬在實(shí)際工作中使用的待測設(shè)備的鼓勵信號.當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時(shí),需使用振幅、頻率的正弦信號源.當(dāng)測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí),又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期的矩形脈沖源.并且要求信號源輸出信號的參數(shù),如頻率、波形、輸出電壓或功率等,能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整,有很好的穩(wěn)定性,有輸出指示.信號源可以根據(jù)輸出波形的不同,劃分為正弦波信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和隨機(jī)信號發(fā)生器等四大類.正弦信號是使用最廣

4、泛的測試信號.現(xiàn)在,我們通過對函數(shù)信號發(fā)生器的原理以及構(gòu)成設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出正弦波、方波、三角波的簡易發(fā)生器.眾所周知,制作函數(shù)發(fā)生器的電路有很多種.本次設(shè)計(jì)先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波,這是一種頻率可調(diào)的移相式正弦波發(fā)生器電路,具頻率穩(wěn)定一般為實(shí)驗(yàn)所確定,然后可以通過改變電容值來改變再通過電壓比擬器產(chǎn)生方波,最后通過積分電路形成三角波.此電路具有良好的正弦波和方波信號.它的制作本錢不高,路簡單,使用方便,有效的節(jié)省了人力,物力資源.信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最根本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器.該函數(shù)發(fā)生器要求能輸出頻率范圍可調(diào)的正弦波、方波和三角波,能夠很好的實(shí)現(xiàn)本次試驗(yàn)的目的,將一些線性

5、和非線性的元件與集成運(yùn)放組合,輸出性能良好的波形.由正弦波、方波或三角波的發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)的信號,通過相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)多種波形的輸出.正弦波可以由RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生,之后通過過零比擬器可產(chǎn)生方波,再積分可得三角波.通過調(diào)節(jié)RC振蕩電路中的振蕩電阻來實(shí)現(xiàn)頻率可調(diào).通過調(diào)節(jié)比例運(yùn)算電路的反應(yīng)電阻來實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào),最終做成要求的函數(shù)發(fā)生器.1.2設(shè)計(jì)目的1 .掌握電子系統(tǒng)的一般設(shè)計(jì)方法2,掌握模擬IC器件的應(yīng)用3 .培養(yǎng)綜合應(yīng)用所學(xué)知識來指導(dǎo)實(shí)踐的水平4 .掌握常用元器件的識別和測試5 .熟悉常用儀表,了解電路調(diào)試的根本方法1.3設(shè)計(jì)任務(wù)方波一三角波一正弦波函數(shù)發(fā)生器輸出波形頻率范圍為10Hz10kHz

6、且連續(xù)可調(diào);正弦波幅值為土2V;方波幅值為2V;三角波峰-峰值為2V.第2章實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)2.1 原理框圖2.2 正弦波發(fā)生電路的工作原理一、產(chǎn)生正弦振蕩的條件：正弦波產(chǎn)生電路的目的就是使電路產(chǎn)生一定頻率和幅度的正弦波,我們一般在放大電路中引入正反應(yīng),并創(chuàng)造條件,使其產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的振蕩.正弦波產(chǎn)生電路的根本結(jié)構(gòu)是：引入正反應(yīng)的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和放大電路.其中：接入正反應(yīng)是產(chǎn)生振蕩的首要條件,它又被稱為相位條件；產(chǎn)生振蕩必須滿足幅度條件；要保證輸出波形為單一頻率的正弦波,必須具有選頻特性；同時(shí)它還應(yīng)具有穩(wěn)幅特性.因此,正弦波產(chǎn)生電路一般包括：放大電路；反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；選頻網(wǎng)絡(luò)；穩(wěn)幅電路個(gè)局部.、正弦波振蕩電路

7、的組成判斷及分類:(1) 放大電路：保證電路能夠有從起振到動態(tài)平衡的過程,電路獲得一定幅值的輸出值,實(shí)現(xiàn)自由限制.(2) 選頻網(wǎng)絡(luò)：確定電路的振蕩頻率,是電路產(chǎn)生單一頻率的振蕩,即保證電路產(chǎn)生正弦波振蕩.(3) 正反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)：引入正反應(yīng),使放大電路的輸入信號等于其反應(yīng)信號.穩(wěn)幅環(huán)節(jié)：也就是非線性環(huán)節(jié),作用是輸出信號幅值穩(wěn)定.、判斷電路是否振蕩的方法:(1) 是否滿足相位條件,即電路是否正反應(yīng),只有滿足相位條件才可產(chǎn)生振蕩(2) 放大電路的結(jié)構(gòu)是否合理,有無放大水平,靜態(tài)工作是否適宜；(3) 是否滿足幅度條件.四、正弦波振蕩電路檢驗(yàn):M同那么不可能振蕩；12ff1(2) 振蕩,但輸出波形明顯失真；

8、(3) *1產(chǎn)生振蕩.振蕩穩(wěn)定后加=1o此種情況起振容易,振蕩穩(wěn)定,輸出波形的失真小.五、RC正弦波振蕩電路:常見的RC正弦波振蕩電路是RC串并聯(lián)式正弦波振蕩電路,它又被稱為文氏橋正弦波振蕩電路.用并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在此作為選頻和反應(yīng)網(wǎng)絡(luò).1wwoRC橋式正弦波振蕩電路的構(gòu)成如下圖.當(dāng)RC時(shí),RC選頻網(wǎng)絡(luò)的相移為零,這樣RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)送到運(yùn)算放大器同向輸入端的信號電壓Vi與輸出電壓Vo同相,所以RC反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)形成正反應(yīng),滿足相位平衡條件.為使在震蕩建jp、1立期間信號做增幅震蕩,應(yīng)選擇R1和R2可使Af3,保證.因此它的起振條件為：%；它的振蕩頻率為：“2慮C.它主要用于低頻振蕩.要想產(chǎn)生更高頻率的正

9、弦信號,一般采用LC正弦波振蕩電路.它的振蕩頻率為：2后同0止匕外,石英振蕩器的特點(diǎn)是其振蕩頻率特別穩(wěn)定,它常用于振蕩頻率高度穩(wěn)定的的場合.RC文氏橋振蕩電路的穩(wěn)幅作用是靠兩個(gè)并聯(lián)的二極管組成的,當(dāng)輸出信號較小時(shí),二極管工作電流小,動態(tài)電阻大,電路的增益較大,引起增幅震蕩過程.當(dāng)輸出幅度到達(dá)一定程度,二極管工作電流大,動態(tài)電阻小,電路的增益下降,電路的輸出電壓幅值將不再上升,從而使輸出電壓穩(wěn)定,以此來到達(dá)穩(wěn)幅的目的.2.3 正弦波變換成方波的工作原理一、電壓比擬器的功能：電壓比擬器是用來比擬兩個(gè)電壓大小的電路,它的輸入信號是模擬電壓,輸出信號一般是只有高電平和低電平兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的電壓.利用電壓

10、比擬器可將各周期性信號轉(zhuǎn)換成矩形波.、過零比擬器:參考電壓為零的比擬器稱為過零比擬器.按輸入方式的不同可分為反相輸入和同相輸入兩種過零比擬器,通常用閾值電壓和傳輸特性來描述比擬器的工作特性.閾值電壓又稱門檻電平是使比擬器輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓值,簡稱為閾值,用符號UTHg示.圖2-3過零比擬器本電路中該電路的作用是將正弦信號轉(zhuǎn)變成方波信號,其傳輸特性曲線如下列圖所示:2.4 方波變換成三角波的工作原理方波經(jīng)過積分器就變成了三角波.但是此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好,不能讓積分器飽和圖2-4積分電路原理1cVo-Vi為積分關(guān)系,負(fù)號表示輸入和輸出信號相位相反.當(dāng)Vi為定值時(shí),電容將恒流

11、充電,輸出電壓為：(2-1)當(dāng)積分器輸入信號為方波時(shí),其輸出信號為三角波,電路波形圖如下:圖2-5三角波發(fā)生器工作波形圖2-6積分電路仿真圖2.5 正負(fù)12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置,它需要經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成.、設(shè)計(jì)原理:直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器T、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成,根本框圖如下圖：圖2-7直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)框圖及波形、各局部作用:1、電源變壓器T:作用是將電網(wǎng)220V的交流電壓變換成整流濾波電路所需要的交流電壓Ui.2、整流電路：整流電路將交流電壓Ui變換成脈動的直流電壓.再經(jīng)濾波電路濾除較大

12、的紋波成分,輸出紋波較小的直流電壓U1.3、濾波電路：經(jīng)整流后的直流輸出電壓脈動性很大,不能直接使用,為減少其交流成分,常在整流電路后接濾波電路.濾波電路的主要任務(wù)是將整流后的單向脈動直流電壓中的紋波濾除掉,使其輸出平滑的直流電壓,這里我們采用接入濾波電容來組成濾波電路.4、穩(wěn)壓電路：常用的穩(wěn)壓電路有兩種形式：一是穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,二是串聯(lián)型穩(wěn)壓電路.二者的工作原理有所不同.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路其工作原理是利用穩(wěn)壓管兩端的電壓稍有變化,會引起其電流有較大變化這一特點(diǎn),通過調(diào)節(jié)與穩(wěn)壓管串聯(lián)的限流電阻上的壓降來到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的.三、具體電路設(shè)計(jì)：在整流電路中我們采用全波整流橋,該電路的整流效果和輸出

13、電壓波形為單項(xiàng)半波整流的兩倍,在穩(wěn)壓電路中采用CW7812f口CW7912!號的這兩個(gè)集成穩(wěn)壓器芯片組成的具有同時(shí)輸出固定的+12V、-12V電壓的穩(wěn)壓電路.該電路對稱性好,溫度特性也近似一致.圖2-8直流穩(wěn)壓電源電路圖四、穩(wěn)壓電源的性能指標(biāo)及測試方法：穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種：一種是特性指標(biāo),包括允許輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等；另一種是質(zhì)量指標(biāo),用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn)定程度,包括穩(wěn)壓系數(shù)或電壓調(diào)整率、輸出電阻或電流調(diào)整率、紋波電壓紋波系數(shù)及溫度系數(shù).第3章仿真電路及運(yùn)行結(jié)果3.1 Multisim簡介Multisim是美國國家儀器NI推出的以Windows為根底的仿

14、真工具,適用于板級的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作.它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式,具有豐富的仿真分析水平.multisim10概述：1 .通過直觀的電路圖捕捉環(huán)境,輕松設(shè)計(jì)電路.2 .通過交互式SPICE仿真,迅速了解電路行為.3 .借助高級電路分析,理解根本設(shè)計(jì)特征.4 .通過一個(gè)工具鏈,無縫地集成電路設(shè)計(jì)和虛擬測試.5 .通過改良、整合設(shè)計(jì)流程,減少建模錯誤并縮短上市時(shí)間.3.2 總波形發(fā)生電路圖3-1正弦波一方波一三角波函數(shù)發(fā)生器該電路分為三局部,第一局部為RC橋式正弦振蕩電路,其功能是利用RC1蕩產(chǎn)生特定頻率的正弦波；第二局部為過零電壓比擬器電路,其功能為將正弦波

15、轉(zhuǎn)成方波；第三局部為積分電路,其功能為利用積分電路將方波轉(zhuǎn)成三角波；止匕外,在積分電路之前設(shè)置一個(gè)電壓跟隨器,起到隔離作用,使過零電壓比擬器電路與積分電路不相互影響.確定電路元器件參數(shù)：穩(wěn)壓管的作用是限制和確定方波的幅度,因此方波正負(fù)半周的對稱性與穩(wěn)壓管性能有關(guān).因此選用穩(wěn)壓管時(shí),要選擇性能好一些的兩個(gè)管性能對稱的穩(wěn)壓管,最好選用雙向穩(wěn)壓管；R3是穩(wěn)壓管的限流電阻,阻值根據(jù)穩(wěn)壓管的電路確定；Rp1和Rp2給比擬器提供門限電平,他們可以決定三角波的幅值.因此Rp1和R2的值應(yīng)根據(jù)三角波的幅值決定.一般為了使三角波的幅值可調(diào),常用電位器作為Rp1、Rp2和電容C的值決定三角波的頻率fo一般是Rp1

16、和R2的值確定后,可以先確定電容C的值,然后由f.=R2/(4Rp2Rp1C來確定R4的值.Rp2假設(shè)采用電位器,那么三角波頻率可調(diào).為了減小積分漂移,電容C的值盡量取大些,但是C值越大漏電也越大,因此一股C不超過1uF;集成運(yùn)放的選擇用于比擬器的運(yùn)放要求速度應(yīng)該高些.通過改變反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中的變阻RP3的阻值可以改變正弦波的輸出波形的幅值；之前方波的輸出波形也隨之確定；通過改變變阻RP4的阻值可以改變?nèi)遣ǖ妮敵霾ㄐ蔚姆?3.3 正弦波仿真在變阻RP1RP2百分比分別為50%RP3百分比為25%示波器輸出的波形如下列圖所示.圖3-2正弦波仿真視圖由圖可知T1的時(shí)間為1.315s,通道A為-1.6

17、60V.T2的時(shí)間為1.338s,通道A為1.658V.由此可知仿真出的正弦波的幅值為：1.660V;峰-峰值為：3.318V;周期為46.154ms.3.4 方波仿真圖3-3方波仿真視圖由圖可知T1的時(shí)間為736.976ms,通道A為-6.834V.T2的時(shí)間為760.908ms,通道A為6.812V.由此可知仿真出的正弦波的幅值為：6.812V;峰-峰值為：13.646V;周期為47.864ms.3.5 三角波仿真圖3-4三角波仿真視圖由圖知T1的時(shí)間為5.516s,通道A為-2.554V.T2的時(shí)間為5.180s,通道A為2.513V.由此知仿真出的正弦波的幅值約為：2.554V;峰-峰

18、值為：5.067V;周期為24.786ms.結(jié)論經(jīng)過幾天的制作我的課題一一方波一三角波一正弦波函數(shù)發(fā)生器已經(jīng)做了出來,一開始感覺這樣的東西挺簡單的,只要找到資料就會很容易的制作出來,但當(dāng)我真正的操作起來才發(fā)現(xiàn)還有好多的問題.如波形的轉(zhuǎn)換,方波轉(zhuǎn)換成三角波,最后再轉(zhuǎn)換成正弦波,弄了很長時(shí)間才弄明白.這次的課題設(shè)計(jì)還讓我體會到了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性,如果你只注重理論學(xué)習(xí)而不去鍛煉自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),是永遠(yuǎn)不能把事情做好的,從理論中得出結(jié)論,用實(shí)踐鍛煉自己,這才是重要的.同時(shí)這次的設(shè)計(jì)讓我也學(xué)到了一些書本上沒有的知識,提升了我獨(dú)立思考水平.還有就是讓我熟練的對Multisim仿真軟件的運(yùn)用,總之這次設(shè)計(jì)讓我深刻地學(xué)會了許多東西,也溫習(xí)了許多以前的知識.致謝本課題設(shè)計(jì)是我在柏蓬明、盛桂芬老師的悉心關(guān)心和精心指導(dǎo)下完成的.在此,我要感謝我的指導(dǎo)老師,在他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的教學(xué)思路給了我無盡的啟迪,他們高度的敬業(yè)精神對我也產(chǎn)生了重要影響.在您的細(xì)心指導(dǎo)和幫助下我才能夠很快的選擇好課題完成這篇設(shè)計(jì).感謝我的每一位親人,是你們的支持使我在學(xué)校的繼續(xù)求學(xué),焉得諼草,