方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器

-.z.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生：專業(yè)班級：指導(dǎo)教師：工作單位：題目：方波－三角波－正弦波函數(shù)發(fā)生器初始條件： 具備模擬電子電路的理論知識(shí)；具備模擬電路根本電路的設(shè)計(jì)能力；具備模擬電路的根本調(diào)試手段；自選相關(guān)電子器件；可以使用實(shí)驗(yàn)室儀器調(diào)試。要求完成的主要任務(wù)：〔包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求〕1、頻率圍三段：10～100Hz，100Hz～1KHz，1KHz～10KHz；2、正弦波Uopp≈3V，三角波Uopp≈5V，方波Uopp≈14V；3、幅度連續(xù)可調(diào)，線性失真小；4、安裝調(diào)試并完成符合學(xué)校要求的設(shè)計(jì)說明書時(shí)間安排：一周，其中3天硬件設(shè)計(jì)，2天硬件調(diào)試指導(dǎo)教師簽名：年月日系主任〔或責(zé)任教師〕簽名：年月日目錄1.概論........................................................11.1....................................................12.方案設(shè)計(jì)與論證...................................................32.1.............................................................33.單元電路設(shè)計(jì)................................................................93.1方波發(fā)生電路的工作原理..........................................93.2三角波正弦波電路的工作原理.......................................103.3電路參數(shù)選擇及計(jì)算..................................................63.4.正負(fù)12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)......................................73.5總電路圖............................................................84.電路仿真........................................................114.1方波三角波發(fā)生電路......................................114.2三角波正弦波發(fā)生電路......................................115.實(shí)物制作......................................................125.1焊接原理............................................................125.2焊接工具及材料......................................................125.3焊接方法及步驟......................................................135.4電路板實(shí)物圖........................................................146.性能參數(shù)......................................................7.數(shù)據(jù)分析......................................................168.實(shí)驗(yàn)總結(jié)................................................................219.參考書................................................................2210.附錄................................................................23附錄1：原件清單..........................................................22附錄2：原理圖..........................................................22附錄3：本科生課程設(shè)計(jì)成績測定表..........................................24-.z.1.概論在人們認(rèn)識(shí)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(hào)進(jìn)展測量，號(hào)源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。信號(hào)源主要給被測電路提供所需要的信號(hào)各種波形，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘?hào)源在各種實(shí)驗(yàn)應(yīng)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(lì)源，仿真各種測試、信號(hào)，提供應(yīng)被測電路，以滿足測量或各種實(shí)際需要。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(hào)。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(hào)干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別在人們認(rèn)識(shí)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(hào)進(jìn)展測量，號(hào)源成了現(xiàn)代測量技術(shù)值得深入研究的課題。信號(hào)源主要給被測電路提供所需的信號(hào)(各種波形)，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘?hào)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(lì)源，仿真各種測試信號(hào)，提供應(yīng)被測電路，以滿足測量或各種實(shí)際需要。-.z.-.z.2.方案設(shè)計(jì)與論證2.1信號(hào)產(chǎn)生電路方案一正弦波方波三角波積分電路電壓比擬器RC正弦波振蕩電路積分電路電壓比擬器RC正弦波振蕩電路圖1-2正弦波、方波、三角波信號(hào)發(fā)生器的原理框圖RC正弦波振蕩電路、電壓比擬器、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，電路框圖如圖1-2。先通過RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，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(hào)。但經(jīng)過積分器電路產(chǎn)生的同步三角波信號(hào)，存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的，而隨著方波信號(hào)頻率的改變，積分電路輸出的三角波幅度同時(shí)改變。假設(shè)要保持三角波幅度不變，需同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。方案二本方案采用由集成運(yùn)算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波—三角波—正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先產(chǎn)生方波—三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法，由比擬器和積分器組成方波—三角波產(chǎn)生電路，比擬器輸出的方波經(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。此方法已用，但差分很難調(diào)實(shí)際和仿真有較大差異；因此舍去。方案三此電路構(gòu)造、思路簡單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定且能較好的符合設(shè)計(jì)要求，且本錢低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調(diào)節(jié)來調(diào)整。但RC濾波性能不太好-.z.3.單元電路設(shè)計(jì)由于考慮本錢，方案實(shí)現(xiàn)簡單，電路性能等問題用方案三。3.1方波發(fā)生電路的工作原理工作原理如下：假設(shè)a點(diǎn)斷開，運(yùn)算放大器A1與R1、R2及R3、RP1組成電壓比擬器，C1為加速電容，可加速比擬器的翻轉(zhuǎn)。由圖3.1.2分析可知比擬器有兩個(gè)門限電壓運(yùn)放A2與R4、RP2、C2及R5組成反相積分器，其輸入信號(hào)為方波Uo1時(shí)，則輸出積分器的電壓為當(dāng)Uo1=+VCC時(shí)當(dāng)Uo1=-VEE時(shí)可見積分器輸入方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速率與下降速率相等的三角波，其波形如圖3.1.2所示。圖3.1.2a點(diǎn)閉合，即比擬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。三角波的幅度為方波-三角波的頻率為由上分析可知：位器RP2在調(diào)整方波-三角波的輸出頻率時(shí)，不會(huì)影響輸出波形的幅度。②方波的輸出幅度應(yīng)等于電源電壓。三角波的輸出幅度應(yīng)不超過電源電壓。電位器RP1可實(shí)現(xiàn)幅度上午微調(diào)，但會(huì)影響波形的頻率。由于因此取R3=10kΩ,則R3+RP1=30kΩ，取R3=20kΩ,RP1為47kΩ的電位器。取平衡電阻R1=R2//〔R3+RP1〕≈10kΩ。因?yàn)楫?dāng)10Hz≤f≤100Hz時(shí)，取C2=1μF，則R4+RP2=〔75~7.5〕kΩ，取5.1kΩ，RP2為100kΩ電位器。當(dāng)19Hz≤f≤100Hz，取C2=1μF以實(shí)現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4、RP2的值不變。取平衡電阻R5=10kΩ。三角波→正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是：隔直電容C3、C4、C5要取得大，因?yàn)檩敵鲱l率較低，取C3=C4=C5=470μF，濾波電容C6一般為幾十皮法至0.1μF。RE2=100Ω與RP4=100Ω，相并聯(lián)，以減少差分放大器的線性區(qū)。差分放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)可通過觀測傳輸特性曲線，調(diào)整RP4及電阻R*確定。3.2三角波→正弦波的變換三角波-正弦波的變換電路主要由RC二階低通有源濾波器來完成。根據(jù)三角波圖3.2的傅里葉變換展開式得知，三角波是由基波，三次諧波以及所有奇數(shù)次諧波等疊加而成的，其中三次諧波的幅值大概只有基波幅值的九分之一甚至更小，并且選頻網(wǎng)絡(luò)所選出的基波本來就會(huì)衰減到原來三角波幅值的圓周率/4倍。于是，二階無源RC低通選頻網(wǎng)絡(luò)，〔大約信號(hào)頻率沒增大3倍，失真就會(huì)出現(xiàn)〕。此外，為了得到10Hz甚至更低的頻率的信號(hào)，以及10KHZ甚至更高頻率的信號(hào)，需補(bǔ)增3-10HZ及10KHZ-30KHZ的濾波網(wǎng)絡(luò)。最后，電位器便能實(shí)現(xiàn)幅度連續(xù)可調(diào)節(jié)，但由于時(shí)間限制只做了二階低通濾波器實(shí)驗(yàn)證明可濾100hz到幾khz的波形較好。但因選的RC是濾100hz的波形，因此到幾k的時(shí)候幅值很小所以可以用幾個(gè)RC濾波器使電路性能更好。經(jīng)討論，為使輸出波形更接近正弦波，由圖可見要求。3.3.正負(fù)12V直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)圖3.3實(shí)際考慮到運(yùn)放軌到軌用正負(fù)十二伏，但實(shí)測出來九伏電壓更能滿足實(shí)驗(yàn)要求。4.電路仿真4.1方波三角波發(fā)生電路4.2三角波正弦波發(fā)生電路4.2三角波正弦波發(fā)生電路5實(shí)際波形圖5.1圖5.2圖5.3圖5.4圖5.5圖5.6圖5.76數(shù)據(jù)分析6.1方波測試結(jié)果：輸出電壓13.6v；頻率12.3hz-10k可調(diào)；6.2三角波測試結(jié)果：輸出電壓5v，可調(diào)2.5-7v，頻率可調(diào)；和方波一樣。6.2正弦波測試結(jié)果：輸出電壓500mv-3.3v,頻率和方波一樣。6.2電源測試結(jié)果：輸出+12.04v，-11.89v?！矊?shí)際用9v左右〕。7.實(shí)驗(yàn)總結(jié)這個(gè)電路的特點(diǎn)是頻率可調(diào)，。缺乏之處在于導(dǎo)線過長，分立元件太多。這次遇到的問題主要是在設(shè)計(jì)過程沒有考慮到的方面較多，在調(diào)試時(shí)才發(fā)現(xiàn)很多問題。比方原理問題。焊接時(shí)還發(fā)現(xiàn)了實(shí)物制作的根本功不是很牢。焊出來的引腳不是特別美觀。我發(fā)現(xiàn)一事實(shí)上要在電路設(shè)計(jì)中，應(yīng)該仔細(xì)認(rèn)證，從中我們可以學(xué)到很多東西，可以提高自己發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，使自己的動(dòng)手能力有一定的提高。出現(xiàn)故障時(shí)要積極面對，在檢查線路時(shí)一定要有耐心，不要因?yàn)槁闊┚头艞墶Ｓ鲆婂e(cuò)誤要一步一步的按照原理圖來，先一步一步的測試，然后整體測試。不要沒順序沒條理，這里測一下那里測一下，最后又什么都沒查出來，那樣既浪費(fèi)了時(shí)間又浪費(fèi)了精力。在設(shè)計(jì)時(shí)方案的選擇很重要，要注意分析可能會(huì)遇到的問題。這次的制作其實(shí)走了一些彎路。中間過程中更改了一次方案，也花了不少時(shí)間。其實(shí)我們需要的是冷靜的頭腦。這個(gè)設(shè)計(jì)其實(shí)還可以有很多改良的地方，比方布線時(shí)將導(dǎo)線布粗布短一些?？梢詫⒃牟季指臑楦侠硪恍２⑶冶M量少在輸入輸出線上串聯(lián)器件。這些都可以