方波—三角波发生器的设计与仿真分析

课程设计说明书NO1方波方波方波方波三角波发生器三角波发生器三角波发生器三角波发生器的设计与的设计与的设计与的设计与仿真仿真仿真仿真分析分析分析分析一一一一、课程设计目的课程设计目的课程设计目的课程设计目的电子技术基础21课程设计是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是通过解决比较简单的实际问题巩固和加深在电子技术基础21（模拟电子技术基础）课程中所学的理论知识和实验技能。训练综合运用学过的电子技术基础知识，在教师指导下完成查找资料，选择、论证方案，设计电路，安装调试，分析结果，撰写报告等工作。通过本课程设计的学习，能初步掌握模拟电子电路设计的一般方法步骤，通过理论联系实际提高和培养分析、解决实际问题的能力和创新能力，为后续课程的学习、毕业设计和毕业后的工作打下一定的基础。沈阳大学课程设计说明书NO2二二二二、设计方案论证设计方案论证设计方案论证设计方案论证（一一一一）方波方波方波方波三角波发生电路三角波发生电路三角波发生电路三角波发生电路基本基本基本基本工作工作工作工作原理原理原理原理图1所示的电路是由集成运算放大器组成的一种常见的方波三角波发生电路。图中运算放大器A1与电阻R2、R3等构成滞回特性的比较器以产生方波。运算放大器A2与R、C等构成积分电路以产生三角波，二者形成闭合回路。滞回比较器的输出加在积分电路的反相输入端进行积分，而积分电路的输出又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变。图图图图11方波方波方波方波三角波发生电路三角波发生电路三角波发生电路三角波发生电路1滞回比较器滞回比较器滞回比较器滞回比较器在滞回比较器中，当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即UU时，输出端的状态将发生跳变。其中UU，U则有U01及输出电压U0二者共同决定，而U01有两种可能的状态UZ或UZ。由此可见，使由跳变为，以及由跳变为所需的输入电压值是不同的。也就是说，滞回比较器的门限电压有两个不同的值。在图1中12011212ORRUUURRRR下图即为滞回比较器的传输特性，呈滞回形状。沈阳大学课程设计说明书NO3图图图图2滞回比较器的传输特性滞回比较器的传输特性滞回比较器的传输特性滞回比较器的传输特性2积分电路积分电路积分电路积分电路由于集成运放的反相输入端“虚地”，故OCUU可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则ICII,故0144ICUIRIR,即输入电压与流过电容的电流成正比。则0411CCIUUIDTUDTCRC3方波方波方波方波三角波发生电路三角波发生电路三角波发生电路三角波发生电路假设0T时,积分电路的初始电压为零，而滞回比较器输出端为高电平，即01ZUU。因集成运放A1同相输入端的电压U同时与01U和OU有关，根据叠加定理可得12011212ORRUUURRRR,此时00U,而01ZUU，故U也为高电平而当01ZUU时，经反向积分,输出电压OU将随着时间往负方向线性增长，而U将随之逐渐减小，当减小至0UU时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使01U由ZU跳变为ZU，此时U也将跳变为一个负值。当01ZUU时，积分电路的输出电压OU将随着时间往正方向线性增长，U将随之逐渐增大，当增大至0UU时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，01U由ZU跳变为ZU。以后重复上述过程，于是滞回比较器的输出电压01U成为周而复始的矩形波，而积分电路的输出电压OU也为周期性重复的三角波。如图3所示。沈阳大学课程设计说明书NO4图图图图33方波方波方波方波三角波发生电路的波形图三角波发生电路的波形图三角波发生电路的波形图三角波发生电路的波形图（二二二二）参数计算参数计算参数计算参数计算1输出幅度输出幅度输出幅度输出幅度由图3可知，在01ZUU期间，积分电路的输出电压0U往正方向线性增长，此时U也随着增长，当增长至0UU时，滞回比较器的输出电压01U发生跳变，而发生跳变时0U的值即是三角波的最大值OMU。将条件01ZUU，0U和0OMUU代入12011212ORRUUURRRR可得12OM12120ZRRUURRRR则三角波的输出幅度是12OMZRUUR2振荡周期振荡周期振荡周期振荡周期由图3可知，在积分电路对01ZUU进行积分的半个振荡周期内，输出电压0U由OMU上升至OMU，则对积分电路可列出以下表达式2OM041DT2TZUURC沈阳大学课程设计说明书NO5即OM422ZUTURC则三角波的振荡周期为4OM14244ZRCURRCTUR三角波的输出幅度与稳压管的ZU以及电阻值之比12RR成正比。三角波的振荡周期则与积分电路的时间常数4RC以及电阻值之比12RR成正比。在实际工作中调整三角波的输出幅度和振荡周期时，在ZU值确定之后，应该先调整电阻1R和2R，使输出幅度达到规定值，然后再调整4R和C使振荡周期满足要求。沈阳大学课程设计说明书NO6三三三三、设计方案的确定设计方案的确定设计方案的确定设计方案的确定（一一一一）原理图原理图原理图原理图图图图图44方波方波方波方波三角波三角波三角波三角波发生器发生器发生器发生器的原理图的原理图的原理图的原理图（二二二二）设计的主要参数数据设计的主要参数数据设计的主要参数数据设计的主要参数数据所示的三角波发生电路中，稳压管的稳压值63ZUV,电阻120R,2252R,33R,45105RR,0003CF。（三三三三）设计主要测试点设计主要测试点设计主要测试点设计主要测试点观察01U和OU的波形图，以及查看电压的幅值以及振荡周期的值。（四四四四）设计电路的模拟软件设计电路的模拟软件设计电路的模拟软件设计电路的模拟软件MULTISIM7MULTISIM是加拿大图像交互技术公司（INTERACTIVEIMAGETECHNOLIGICS简称IIT公司推出的以WINDOWS为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。可以使用MULTISIM交互式地搭建电路原理沈阳大学课程设计说明书NO7图，并对电路行为进行仿真。MULTISIM提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过MULTISIM和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。MULTISIM7计算机仿真与虚拟仪器技术（LABVIEW8）（也是美国NI公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表，极大地提高了学习热情和积极性。应用MULTISIM7软件进行仿真教学的操作简单，比如对某一具体电路仿真步骤如下1、根据原理图放置元器件。2、放置仪器仪表在需要观察的地方。3、连接导线。4、单击仿真开关进行仿真。5、利用仪器仪表观察仿真结果。沈阳大学课程设计说明书NO8四四四四、测试方案测试方案测试方案测试方案（一一一一）方波方波方波方波三角波发生器三角波发生器三角波发生器三角波发生器原理图原理图原理图原理图图图图图55方波方波方波方波三角波发生器的连接线框图三角波发生器的连接线框图三角波发生器的连接线框图三角波发生器的连接线框图表表表表11实验设备及用途实验设备及用途实验设备及用途实验设备及用途序号名称主要用途1A741集成运放电路元件2XSC1示波器观察、测量波形3电阻、电容、电位计电路元件（二二二二）步骤步骤步骤步骤1选用测试用的工具，如电阻、稳压管等，按照原理图进行连接电路。2双击每个元件，对元件进行赋值及设置元件参数。3在对设计的方波三角波发生器检查无误后，使用MULTISIM7仿真软件进行仿真。4双击XSC1示波器观察UO1及U0的输出波形及幅值、周期。5仿真结束后，单击工具栏中的“仿真”，选择“分析”中的“瞬态分析”对其进行仿真。6根据所显示的数据，进行计算，将其与理论值比较，进行误差分析。沈阳大学课程设计说明书NO9五五五五、测试验证结果测试验证结果测试验证结果测试验证结果（一一一一）用用用用MULTISIM7MULTSIM7对电路进行波形仿真对电路进行波形仿真对电路进行波形仿真对电路进行波形仿真检查电路无误后，首先点击工具栏中的“显示记录仪”，再点击工具栏中的“运行/停止分析”，察看所显示的波形。当运行到适当的时刻时，停止运行。点击XSC1示波器，可显示模拟仿真波形图。图图图图66模拟模拟模拟模拟仿真波形图仿真波形图仿真波形图仿真波形图由图6可知，其方波三角波发生器的测量值如下方波U01016479655065142UV三角波U0因001650003015574则OM5574VU周期T2753166T得115MST理论值方波U010163UV沈阳大学课程设计说明书NO10三角波U01OM220635252ZRUUVR周期T142442010500031MS25200RRCTR点击工具栏中的“显示记录仪”，即为三角波发生电路的波形图图图图图77方波方波方波方波三角波发生电路波形图三角波发生电路波形图三角波发生电路波形图三角波发生电路波形图（二二二二）用用用用MULTISIM7MULTSIM7对电路对电路对电路对电路的瞬态进行的瞬态进行的瞬态进行的瞬态进行仿真仿真仿真仿真单击工具栏中的“仿真”，选择“分析”中的“瞬态分析”，进入“瞬态分析”对话框。对其对话框进行设置。在“分析参数”中，将“初始条件”改为“用户定义”，起始时间和终止时间设为0004549S和0007715S。在“输出变量”中选择结点2、结点4，单击“仿真”即可。下图即为在0004549S至0007715S时间的瞬态波形图。沈阳大学课程设计说明书NO11图图图图88方波方波方波方波三角波发生器的瞬态分析三角波发生器的瞬态分析三角波发生器的瞬态分析三角波发生器的瞬态分析由图8可知，测量值与理论值之间存在误差。三角波输出的幅值并未与方波的跳变相对应。沈阳大学课程设计说明书NO12六六六六、误差分析误差分析误差分析误差分析将测量值与理论值比较表表表表22测量值与理论值比较测量值与理论值比较测量值与理论值比较测量值与理论值比较测量值01U6514VOM5574VU115MST理论值0163UVOMU5VT1MS二者之间存在误差。造成这些误差主要有以下几点（一一一一）电路图元件选值不合理电路图元件选值不合理电路图元件选值不合理电路图元件选值不合理由三角波的输出幅度和振荡周期公式得12OMZRUUR4OM14244ZRCURRCTUR三角波的输出幅度与稳压管的ZU以及电阻值之比12RR成正比。三角波的振荡周期则与积分电路的时间常数4RC以及电阻值之比12RR成正比。当12RR的选择不当，则影响其输出值。因此，改变12RR的比值，可改变振荡周期及输出电压的幅度。由于采用运放组成的积分电路，若实现恒流充电，可使三角波线性大大改善。所以，在实际工作中调整三角波的输出幅度和振荡周期时，在ZU值确定之后，应该先调整电阻1R和2R，使输出幅度达到规定值，然后再调整4R和C使振荡周期满足要求。（二二二二）选择点的影响选择点的影响选择点的影响选择点的影响由于振荡周期短，变化比较快，因此，选择点的不同，得出的测量结果也不同。（三三三三）软件问题软件问题软件问题软件问题由于MULTISIM7面市比较早，软件可能存在缺点，比如对仿真效果的影响等，都有可能对整个测量的数据有一定的影响。沈阳大学课程设计说明书NO13七七七七、心得体会心得体会心得体会心得体会经过一星期的课程设计，学会许多东西。比如，运用“程序”中的“画图”工具，学会怎么处理复杂图的绘制及修改等；WORD文档中一些隐蔽的功能等；同时，学会了一种新的仿真软件。更重要的是，对模拟电子技术基础简明教程中的知识有更深刻的理解。本次课程设计的题目是针对方波三角波发生器进行仿真与分析。在对其工作原理理解后，了解输出电压及振荡周期的基本公式后，根据课程设计的要求对其各个电阻及电容等元件进行赋值，再利用MULTISIM7软件进行仿真。由于MULTISIM7软件不够完善，以及所设的参数值存在问题等，因此，仿真效果不是很理想，测量值与理论值有一定的误差。但是，在众多问题出现时，又能更好的对方波三角波发生器的知识有了进一步的了解以及如何运用MULTISIM7软件解决问题，学会如何分析问题、解决问题。总之，本次课程设计在老师的带领、同学间的帮助及自身努力下，完成了查找资料，选择论证方案，设计电路，安装调试，分析结果，撰写报告等工作。通过理论联系实际，提高自身分析、解决问题的能力，为后续的学习打好基础。沈阳大学课程设计说明书NO15八八八八、参考文献参考文献参考文献参考文献1童诗白、华成英模拟电子技术基础第三版M高等教育出