方波合成电路课程设计.doc

中南民族大学 电子技术课程设计报告电子技术课程设计报告 题题 目目 方波合成实验电路方波合成实验电路 学学 院院 计算机科学学院计算机科学学院 专专 业业 自动化自动化 年年 级级 20102010 姓姓 名名 闪梦闪梦 学学 号号 1006409310064093 指导教师指导教师 张志俊张志俊 陈勉陈勉 2012 年年 6 月月 20 日日 指导教师评语：指导教师评语： 作作 品品 5050 设计方案 10 制作质量 20 完成效果 20 报报 告告 4040 方案论证 10 电路计算 10 调试测试 10 规范性 10 其其 他他 1010 工作态度 5 答辩 5 总分：总分：指导教师签名：指导教师签名： 任 务 书 设计题目： 方波合成实验电路 学生姓名： 闪梦 学号： 10064093 专业班级： 自动化（4）班 一、设计条件 1可选元件 （1）选题规定的“可选、限选元件” （2）电阻、电容、电感、电位器等，按需使用 （3）自备元件 2可用仪器 万用表，示波器，交流毫伏表，信号发生器，直流稳压电源 二、设计任务及要求 1设计任务 根据技术要求和已知条件，完成选题电路的设计、装配与调试。 2设计要求 （1）选题规定的“设计内容和要求” ； （2）选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。包括：计算电路元件参数、选 择元件、画出总体电路原理图； （3）用软件仿真整体或部分核心实验电路，得出适当结果； （4）装配、调试作品，按规定格式写出课程设计报告书。 三、时间安排 1第 11 周：布置设计任务，讲解设计要求、实施计划、设计报告等要求，完成选题。 2第 1213 周：资料查阅，方案设计，模拟仿真，领取元件，开始实际制作。 3第 1416 周：分散开展实际制作及调试。 4第 17 周：集中制作与调试，作品检查、评价、验收，撰写设计报告。 5第 18 周：集中检查验收、答辩，提交设计报告。 指导教师签名： 2012 年 06 月 20 日 目录 第一章 原理及主要元件介绍 一、正弦波振荡电路的原理- 2 二、ne5532 的介绍- - 5 lm358 的介绍 ua741 的介绍 第二章 正弦波发生电路 一、两种正弦波发生电路的比较- 10 第三章 方波合成 一、加法电路- 11 第四章 总结 一、实验总结- 12 二、致谢- 12 三、参考文献- 12 四、附录- 12 1 摘要 课程设计的任务是由直流稳压电源供电，由 10khz、30khz、50khz 正弦波，合成近似 方波。要求： 方波幅度：vpp5v 失真小。首先设计制作正弦波发生电路，分别产生 10khz、30khz、50khz 的正弦波，其次通过反相电路调节产生的正弦波的电压幅度，使其 满足要求，然后设计制作移相电路使三个波形的相位一致，最后设计制作加法器将三个正 弦波合成近似方波。 方波合成的理论基础是傅立叶级数，法国数学家傅立叶发现，任何周期函数都可以用正弦 函数和余弦函数构成的无穷级数来表示，但实际生活中大多数波形都包含谐波频率的能量。 谐波频率能量相较于基波频率能量的比例是依赖于波形的。傅立叶级数将这种波形数学定 义为相对于时间的位移函数。 随着傅立叶级数中计算项的增加，级数会越来越近似于定义复杂信号波形的精确函数。 计算机能够计算出傅立叶级数的数百万个项。 本题就是基于这个原理，去基波、三次谐波、五次谐波进行合成。谐波之间要满足一 定相位及幅度比例关系，由于我是用三个电路分别产生正弦波，所以要对波形的电压进行 调节，使其满足比例要求。 关键词 正弦波产生； 傅立叶级数 ； 移相； 加法器； 合成方波 2 第一章 原理及主要元件介绍 一、正弦波振荡电路的原理 正弦波振荡电路是在没有外加输入信号的情况下，依靠电路自激震荡而产生正弦波输出电 压的电路。它广泛的用于量测、遥控、通讯、自动控制、热处理和超声波电焊等加工设备 中，也作为模拟电子电路的测试信号。 正弦波产生的条件：为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正 反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波， 这是由于很难控制正反馈的量。如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三 极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停 振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络， 选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由 r、c 和 l、c 等电抗性元件 组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成： 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅电路 1、 rc 选频网络 rc 串并联网络的电路如图。rc 串联臂的阻抗用 z1表示，rc 并联臂的 图 9-1.02 rc 串并联网络 阻抗用 z2表示。其频率响应如下 22 2 222111 j1 )j/1/()j/1 ( cr r crzcrz ) 1 j()1 ( 1 /j+)cj/1 ( )j1()cj/1 ( )j1/(+)cj/1 ( )j1/( 12 21 1 2 2 1 212222111 2 22211 2 22211 222 21 2 . o . f . cr cr c c r r rccrcrrr r rcrr r crrr crr zz z v v f 谐振频率为 f0= 2121 2 1 ccrr 3 当 r1 = r2，c1 = c2时，谐振角频率和谐振频率分别为： ， rc 1 0 rc f 2 1 0 幅频特性 . f 20 0 22 12 21 2 1 2 2 1 )(3 1 ) 1 ()1 ( 1 cr cr c c r r 相频特性 3 arctg 1 1 arctg 0 0 1 2 2 1 12 21 f c c r r cr cr 当 f=f0时的反馈系数 ，且与频率 f0的大小无关，此时的相角 f=0。即调节谐 . f 1 3 振频率不会影响反馈系数和相角，在调节频率的过程中，不会停振，也不会使输出幅度改 变。 2、 电路组成 下图是 rc 桥式振荡电路的原理电路，这个电路由两部分组成，即放大电路 和选频网络 。选频网络（即反馈网络）的选频特性已知，在 处，rc 串并联反馈网络的 ， ，根据振荡平衡条件 和 ，可知放大电路的输出与输入之间的相位关系应是同相，放大电路的 电压增益不能小于 3，即用增益为 3（起振时，为使振荡电路能自行建立振荡， 应大于 3）的同相比例放大电路即可。根据这个原理组成的电路如图所 示，由于 z1、z2和 r1、rf正好形成一个四臂电桥，电桥的对角线顶点接到放大电路 的两个输入端，因此这种振荡电路常称为 rc 桥式振荡电路。 4 3、振荡的建立与稳定 由图可知，在 时， 经 rc 反馈网络传输到运放同相端 的电压 与 同相，即有 和 。这样， 放大电路和由 z1、z2组成的反馈 网络刚好形成正反馈系统，可以满 足相位平衡条件，因而有可能振荡。 所谓建立振荡，就是要使电路自激，从而产生持续的振荡。由于电路中存在噪声，它 的频谱分布很广，其中一定包括有 这样一个频率成分。这种微弱的 信号，经过放大器和正反馈网络形成闭环。由于放大电路的 开始时略大于 3，反 馈系数 ，因而使输出幅度愈来愈大，最后受电路中非线性元件的限制，使 振荡幅度自动地稳定下来，此时 ，达到 振幅平衡条件。 4、振荡频率与振荡波形 由于集成运放接成同相比例放大电路，它的输出阻抗可视为零，而输入阻抗远比 rc 串并联网络的阻抗大得多，可忽略不计，因此，振荡频率即为 rc 串并联网络的 ， 当适当调整负反馈的强弱，使 av的值略大于 3 时，其输出波形为 正弦波，如 av的值远大于 3，则因振幅的增长，致使波形将产生严重的非线性失真。 5、稳幅措施 对于图中所示的电路，调整 r1或 rf可以使输出电压达到或接近正弦波。然而， 由于温度、电源电压或者元件参数的变化，将会破坏 avfv=1 的条件，使振幅发生变 化。当 avfv增加时，将使输出电压产生非线性失真；反之，当 avfv减小时，将使 输出波形消失（即停振）。因此，必须采取措施，使输出电压幅度达到稳定。 rc 桥式振荡电路 5 实现稳幅的方法是使电路的 rf/r1值随输出电压幅度增大而减小。例如，rf用一个 具有负温度系数的热敏电阻代替，当输出电压 增加使 rf的功耗增大时，热敏电 阻 rf减小，放大器的增益 下降，使的幅值下降。如果参数选择合 适，可使输出电压幅值基本恒定，且波形失真较小。同理，r1用一具有正温度系数 的电阻代替，也可实现稳幅。 二、电路中集成运放的介绍 1、ne5532 的有关介绍 ne5532 是高性能低噪声 双运算放大器 （双运放）集成电路。与很多标准运 放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带 宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、 控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九 十年代初的音响界被发烧友们誉为 “运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必 备的运放之一。 1.1、ne5532 的引脚图 6 1.2、ne5532 的内部电路图 1.3、ne5532 的特点 小信号带宽：10mhz 输出驱动能力：600，10v 有效值 输入噪声电压：5nv/hz(典型值) 直流 电压增益：50000 交流电压增益：2200-10khz 功率带宽： 140khz 转换速率： 9v/s 大的电源电压范围：3v-20v 单位增益补偿 2、lm358 的介绍 lm358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器， 适合 于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下， 电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益 模组,音频放大 器、工业控制、dc 增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 lm358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。 7 2.1、lm358 的引脚图： 2.2、lm358 的内部电路图： 3 、2.3、lm358 的特性 *内部频率补偿。 *直流电压增益高(约 100db) 。 *单位增益频带宽(约 1mhz) 。 *电源电压范围宽：单电源(330v)；双电源(1.5 一15v) 。 8 *低功耗电流，适合于电池供电。 *低输入偏流。 *低输入失调电压和失调电流。 *共模输入电压范围宽，包括接地。 *差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。 *输出电压摆幅大（0 至 vcc-1.5v) 。 *输入偏置电流 45 na *输入失调电流 50 na *输入失调电压 2.9mv *输入共模电压最大值 vcc1.5 v *共模抑制比 80db *电源抑制比 100db 3、ua741 的介绍 ua741m，ua741i，ua741c（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和 商业应用.这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。 这些类型还具有 广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。 3.1、ua741 的引脚图： 9 3.2、ua741 的内部结构电路 10 第二章 正弦波发生电路 一、两种正弦波发生电路的比较 由虚短虚断原理可知流过 r1 的电流等于流过 r5 的电流，所以振荡电路的输出电压可 以通过下式计算得到：0.7v（2r1-r2）=u3r1 其中 u 是输出电压，0.7v 为二极管的 导通电压，但是在仿真调试的过程发现改变 r1、r2 或是 r5 中的任何一个的阻值都会使输 出电压有很大的变化，而且还会对输出的正弦波的频率产生一定影响，是震荡出的正弦波 频率和电压都很不稳定，这可能是由于电路本身的不稳定性，但具体是什么原因我也不清 楚。 还有一种电路如下图： 11 通过这个电路产生所需要的频率的正弦波，然后再通过一个反向比例电路调节其电压， 得到频率和电压都较稳定的正弦波，由傅立叶级数可知，基波、三次谐波、五次谐波的振 幅比为 1：13：15，所以在合成方波以前先把他们的幅值分别调为 6v、2v、1.2v。用 于调压的反向比例运算电路如下： 通过调节 r3 的阻值可以的到需要的电压值，电路中输出电压与输入电压之比就等于 r3 与 r2 的阻值之比，通过这两个电路就可以的到电压频率都比较稳定的正弦波。经过比 较，我选择了第二个电路。 第三章 方波合成 一、加法电路 当多个输入信号同时作用于集成运放的同相输入端时，就构成同相求和运算电路。如下图： 利用迭加原理求出 u 及 u 2 312 31 1 321 32 / / / / ii u rrr rr u rrr rr u （ 321 /rrrr ） 2 2 312 312 1321 321 )/( / / / r u rrr rrr r u rrr rrr ii 2 2 1 1 r u r u r ii f o r u ru uu 2 2 1 1 r u r u r r r u ii f f o 12 当两输入端外电路平衡时，有 rr 2 2 1 1 i f i f o u r r u r r u 当 321 rrr 时， 21iio uuu 实现信号相加，且同相。 第四章总结 一、实验总结 本设计主要讲述了合成信号发生起器的工作原理和工作过程，突出了合成信号发生器 的基本电路的组成单元及这些单元如何实现信号合成。结合本设计的内容，指出看单元电 路的设计方法和意义。在这次设计中遇到了很多实际的问题。在实际设计中才发现，书本 上的理论知识与实际还是有一定的出入的，所以有些问题不但要深入的了理解，而且要不 断的更正以前的错误思维，这才是我们课程设计真正应该学到的东西。设计中的很多电路 我都是借鉴书本上的，但是在电路的调试和衔接时会遇到一些问题，这些问题就需要我们 认真的去思考，寻找解决方案，我是设计并不是完美的，实验结果其实并不是很理想，得