双电源供电的三角、方波发生器_电力电子课程设计.docx

科技学院信息工程系2009级课程设计 双电源供电的三角、方波发生器专 业 名 称 自动化班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 邱玉兰评 分 日 期 2011年12月摘要在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。例如随着三角波，方波发生电路的迅速发展，用三角波，方波发生电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用三角波，方波发生电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。传统的电子电路与系统设计方法周期长，成本高，效率低。在电子产品开发设计的过程中，常常需要工程技术人员对所设计的电路进行实物安装和调试，通过整机安装，调试后，如果发现原先的设计有问题，还得回头重新安装，修改、过程非常繁琐。近年来电子产业迅速发展，将先进的计算机技术应用其中十分便利和有重要影响。本次课程设计是要求做一个能够产生方波-三角波的函数发生器。众所周知,制作函数发生器的电路有很多种。本次设计采用的电路是基于运放和二极管，电容，电阻的试验电路。由理论分析知,电压比较器可以产生方波,积分电路可以产生三角波，向电压比较器输入三角波就可以产生方波,于是可以将积分电路的输出作为电压比较器的输入。各种波形频率段的调整可以由外电路的改变来实现,例如, 函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、方波的函数波形发生器。电路的原理部分的设计,可以是先设计单元电路,然后用仿真软件模拟。等到各个单元都设计完成后,可以将各个单元结合到一起,由仿真软件模拟是否符合制作要求。本次试验中,就是先做方波发生电路:电压比较器。然后是积分电路,最后是差动放大电路。电子技术基础 课程设计任务书20112012学年 第一学期第18周19周题目双电源供电的三角、方波发生器内容及要求1、要求用运放组成三角、方波发生器；2、三角波正负斜率分别、幅值可调；3、方波正负幅值要求对称。进度安排1、方案论证 2天2、分析、设计、 3天3、焊接、调试、实现 3天4、检查、整理、写设计报告、小结 3天学生姓名： 指导时间：2011年12月下旬指导地点：十大楼任务下达2011年12月12日任务完成2011年12月23日考核方式1.评阅 2.答辩 3.实际操作 4.其它指导教师邱玉兰系（部）主任万卫强目 录第一章 总体方案的设计与选择51.1 方案设计与论证51.2 原理图设计51.3 三角波电路设计原理61.4 元器件选择8第二章 总体电路图及印刷板图92.1PCB原理图2.2PCB印刷板图第三章 计算机仿真3.1仿真与调试第四章 电路安装调试114.1元件清单与验证器材及相关介绍114.2安装方波三角波产生电路164.3调试方波三角波产生电路164.4、电子电路调试的一般步骤1845注意事项2046寻找故障的方法204.7元件的检测204.8结论21第五章 心得体会22参考文献26第一章 总体方案的设计与选择11方案设计与论证方案一采用多功能波形发生器ICL8038BC.多功能波形发生器ICL8038BC具有体积小,结构简单等特点,只需外接少量元件,便可产生精确的正弦波,方波和三角波信号,同时也能产生锯齿波,阶梯波和尖脉冲造次我种波形,因此,该芯片具有广泛的应用前景。多功能波形发生器ICL8038BC具有体积小,结构简单等特点,只需外接少量元件,便可产生精确的正弦波,方波和三角波信号,同时也能产生锯齿波,阶梯波和尖脉冲造次我种波形,但是该芯片集成度太高,如果该芯片出现问题,设计将前功尽弃.方案二：采用电压比较器和积分器同时产生方波和三角波。其中电压比较器产生方波，对其输出波形进行一次积分产生三角波，该电路的优点是十分明显的：1、线性良好，稳定性好；2、频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便的连续的改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；3、三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形。因此本实验采用同相迟滞电压比较器和积分器同时产生方波和三角波的方案。1.2原理图设计1.2.1方波电路设计原理 方波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路。由于方波或矩形波包含极其丰富的谐波，因此，这种电路又称为多谐振荡电路。其本电路级成如图1.1所示，它是在在迟滞比较器的基础上，增加了一个由R、C反馈到比较器的反相端。在比较器的输出端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了一个如图1.2所示的双向限幅方波发生电路。由图可知，电路的正反馈系数F为图1.1基本电路图1.2 双向限幅的方波产生电路1.2.2参数计算方波周期、频率计算：T=2RCln（1+2R1/R2） f=1/T 幅值： Uo=Uz 1.3三角波电路设计原理1.3.1三角波发生电路锯齿波和正弦波、方波、三角波是常用的基本测试信号。三角波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路.由于方波或矩形波包含极丰富的谐波,因此这种电路又称为多谐振荡电路.它是在迟滞比较器的基础上,增加了一个由R、C组成的积分电路,把输出电压经过R、C反馈到比较器的反相端.在比较器的输出端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了双向限幅房波发生电路.由于比较器中的运放处于正反馈状态,因此一般情况下,输出电压V0与输入电压V1不成线性关系,只有在输出电压V0发生跳变瞬间,集成运放两个输入电压才可近似等于零,即Vid=0或Vp=Vn=V1是输出电压V0转换的临界条件。在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于正饱和值，即V0=Vz,时,加到电压比较器同相端的电压为+FVz,而加于反向端的电压,由于电容器C上的电压Vc不能突变,只能由输出电压V0通过电阻R按指数规律向C充电来建立,充电电流为i+.显然,党加到反向端的电压VC略正于+FVz时,输出电压便立即从正饱和值(+Vz)迅速翻转到负饱和值(-Vz),-Vz又通过R对C进行反向充电. 通常将矩形波为高电平的持续时间与振荡周期的比称为占空比,对称方波的占空比为50%.如需产生占空比小于或大于50%的矩形波,只需适当改变电容C的正 反向充电时间常数即可.此外，如在示波器等仪器中，为了使电子按照一定的规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到三角波产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，就要在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压三角波电压，使电子束沿水平方向匀速扫过荧光屏。图1.3三角波发生电路1.3.2参数计算三角波幅值： 周期、频率： 1.4 元器件选择电阻 ： 4.7千欧 1个 1千欧 2个电位器： 10千欧 2个集成模块： LM741 2个 极性电容： 1 uf 1个6v稳压二极管： 2个直流稳压电源: 1台万用表： 1只导线： 若干面包板： 1个 第二章 总体电路图及印刷板图2.1 Protel99原理图图2.1 总体电路图2.2 PCB印刷板图 图2.2 PCB印刷板图图2.3 PCB 3D图第三章 计算机仿真3.1仿真与调试按照原理图,在multisim中做好电路图，如图2.1。仔细检查电路图是否有错误。在确定没有错误的情况下,将multisim中的仿真器材示波器拖出来,将示波器接到输出方波和三角波的端口Vo1和Vo2。将电路调到运行状态。观察示波器中输出的波形。调整示波器的X和Y增益,比较波形的失真情况图3.1 仿真实验电路仿真调试输出波形：图3.1.1方波Vo1输出波形（幅值对称）图3.1.2三角波Vo2输出波形图3.1.3三角波Vo2输出斜率可调图3.1.4三角波Vo2输出幅值可调图3.1.5 方波和三角波在同一示波器中输出经过多次调试后，得到完整的波形图经过分析知道,方波的波形开始时有少量失真,随着电路的逐渐稳定,失真基本上完全消除，且幅值对称。三角波的波形只有少量失真,且斜率和幅值均可调，其他符合要求此电路设计，符合设计要求。第四章 电路安装调试制作和调试是最容易出现错误的环节，因此在制作和调试时我们做到有条不紊，认真的做好每一步工作。4.1元件清单与验证器材及相关介绍：元件清单 电阻 ： 4.7千欧 1个 1千欧 2个 电位器： 10千欧 2个集成模块： LM741 2个 极性电容： 1 uf 1个6v稳压二极管： 2个导线： 若干面包板： 1个 8P底座 2个插针 2个验证器材：双踪示波器 1个直流稳压12v电源: 1台万用表： 1只4.1.1集成运算放大器LM741资料 图1.4 LM741管脚图1.运算放大器的简介运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。2.运算放大器的分类按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。（1）通用型运算放大器通用型运算放大器就是以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例A741（单运放）、LM358（双运放）、LM324（四运放）及以场效应管为输入级的LF356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。（2）高阻型运算放大器这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid1G1T,IB为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用FET作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有LF355、LF347（四运放）及更高输入阻抗的CA3130、CA3140等。（3）低温漂型运算放大器在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有OP07、OP27、AD508及由MOSFET组成的斩波稳零型低漂移器件ICL7650等。（4）低功耗型运算放大器由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有TL-022C、TL-060C等,其工作电压为2V18V,消耗电流为50250A。目前有的产品功耗已达W级,例如ICL7600的供电电源为1。5V,功耗为10mW,可采用单节电池供电。3.集成电路运算放大器的内部组成单元 集成电路运算放大器是一种电子器件，它是采用一定制造工艺将大量半导体三极管、电阻、电容等元器件及它们之间的连线制作在同一小块单晶硅的芯片上，并具有一定功能的电子电路。它的类型很多，电路也不一致，但在电路结构上有共同之处。图1.4.1集成电路运算放大器的内部结构框图 （a）国家标准规定的符号 （b）国内外常用的符号图1.4.2运算放大器的代表符号4.1.2面包板 面包板（万用线路板）由于板子上有很多小插孔，很像面包中的小孔，因此得名。 包括单面包板，组合面包板，无焊面包板。 整板使用热固性酚醛树脂制造，板底有金属条，在板上对应位置打孔使得元件插渗透孔中时能够与金属条接触，从而达到导电目的。一般将每5个孔板用一条金属条连接。板子中央一般有一条凹槽，这是针对需要集成电路、芯片试验而设计的。板子两侧有两排竖着的插孔，也是5个一组。这两组插孔是用于给板子上的元件提供电源。 母板使用带铜箔导电层的玻璃纤维板，作用是把无焊面包板固定，并且引出电源接线柱。 有其良好的用途不用焊接和手动接线，将元件插入孔中就可测试电路及元件，使用方便。 面包板是专为电子电路的无焊接实验设计制造的。由于各种电子元器件可根据需要随意插渗入渗出或拔出，免去了焊接，节省了电路的组装时间，而且元件可以重复使用，所以非常适合电 子电路的组装、调试和训练。 1、常用面包板的结构 SYB-130型面包板如附录图1-1所示。插座板中央有一凹槽，凹槽两边各由65列小孔，每一列的五个小孔在电气上相互连通。集成电路的引脚就分别插在凹槽两边的小孔上。插座上、下边各一排（即X和Y排）在电气上是分段相连的55个小孔，分别作为电源与地线插孔用。对于SYB-130插座板，X和Y排的1-15孔、16-35孔、36-50孔在电气上是连通的。（其它型号的面包板使用时应参看使用说明） 面包板插孔所在的行列分别以数码和文字标注，以便查对。 2、布线用的工具 布线用的工具主要有剥线钳、偏口钳、扁嘴钳和镊子。偏口钳与扁嘴钳配合用来剪断导线和元器件的多余引脚。钳子刃面要锋利，将钳口合上，对着光检查时应合缝不漏光。 剥线钳用来剥离导线绝缘皮。 扁嘴钳用来弯直和理直导线，钳口要略带弧形，以免在勾绕时划伤导线。 镊子是用来夹住导线或元器件的引脚送入面包板指定位置的。 3、面包板的使用方法及注意事项 （1）安装分立元件时，应便于观到其极性和标志，将元件引脚理直后，在需要的地方折弯。为了防止裸露的引线短路，必须使用带套管的导线，一般不剪断元件引脚，以便于重复使用。一般不要插入引脚直径0.8mm的元器件，以免破坏插座内部接触片的弹性。 （2）对多次使用过的集成电路的引脚，必须修理整齐，引脚不能弯曲，所有的引脚应稍向外偏，这样能使引角与插孔可靠接触。要根据电路图确定元器件在面包板上的排列方式，目的是走线方便。为了能够正确布线并便于查线，所有集成电路的插入方向要保持一致，不能为了临时走线方便或缩短导线长度而把集成电路倒插。 （3）根据信号流程的顺序，采用边安装边调试的方法。元器件安装之后，先连接电源线和地线。为了查线方便，连线尽量采用不同颜色。例如：正电源一般采用红色绝缘皮导线面包板的使用 负电源用蓝色，地线用黑线，信号线用黄色，也可根据条件选用其它颜色。 （4）面包板宜使用直径为0.6mm左右的单股导线。根据导线的距离以及插孔的长度剪断导线，要求线头剪成45斜口，线头剥离长度约为6mm左右，要求全部插入底板以保证接触良好。裸线不宜露在外面，防止与其它导线断路。 （5）连线要求紧贴在面包板上，以免碰撞弹出面包板，造成接触不良。必须使连线在集成电路周围通过，不允许跨接在集成电路上，也不得使导线互相重叠在一起，尽量做到横平竖直，这样有利于查线，更换元器件及连线。 （6）最好在各电源的输入端和地之间并联一个容量为几十微法的电容，这样可以减少瞬变过程中电流的影响。为了更好地抑制电源中的高频分量，应该在该电容两端再并联一个高频去耦电容，一般取0.01 0.047Uf的独石电容。 （7）在步线过程中，要求把各元器件在面包板上的相应位置以及所用的引脚号标在电路图上，以保证调试和查找故障的顺利进。4.2安装方波三角波产生电路（1）把两块8P底座插入面包板中，焊好再插入741芯片，避免烧坏。（2）分别把各电阻和其他元件放入适当位置。（3）按图接线，注意直流源的正负及接地端。4.3调试方波三角波产生电路（1）接入电源后，用试波器进行双踪观察。（2）观察示波器，各指标达到要求后进行下一部安装。把两部分的电路接好，进行整体测试和观察。针对和阶段出现的问题，逐个排查校检，使其满足实验要求。使其产生方波和三角波。由于电压比较器与积分器组成正反馈闭环电路，同时输出方波和三角波，故这两个单元电路可以同时安装。需要注意的是，安装电位器之前要将其调整到设计值，否则，电路可能不起振。如果电路接线正确，则在接通电源后，比较器的输出为方波，积分器的输出为三角波，使方波的输出幅度满足设计指标要求，则输出频率可调。为了提高共模抑制比和精确增益调控，运放输入端电阻必需精确匹配。按设计图安装好电路，稳压电源输出的+12V接到集成运放741的7脚，-12V接到集成运放741的4脚，示波器的Ch1接Uo1，Ch2接Uo2，使方波，三角波输出幅度满足设计设计指标要求。图4.1 示波器观察到的方波图4.2 示波器中观察到的三角波图4.3 板子正面图4.4板子反面4.4、电子电路调试的一般步骤 首先，要观察电路板上的元器件的连接情况，成熟的电子产品一般都是连接出的问题。其次，当电路板的各元器件检察无误后，对其进行通电，通电后听电路板是否有异常响声或有其它燃烧的气味，如有其情况，必需立即拨下电源。再次，要在接通电源前，一定要先测出电源的电压值，确保电压为额定电压，否则，出现电压过高，通电后，会毁坏元器件，这一点一定要切记。最后，检查芯片是否插牢，有些不易观察的插孔是否插好？一般调试前做好这几步就可发现不少问题。根据电子电路的复杂程度，调试可分步进行：对于较简单系统，调试步骤是：电源调试单板调试联调。对于复杂的系统，调试步骤是：电源调试单板调试分机调试主机调试联调。由此可明确三点：（1）不论简单系统还是复杂系统，调试都是从电源开始入手的。（2）调试方法一般是先局部(单元电路)后整体，先静态后动态。（3）一般要经过测量调整一再测量再调整的反复过程。 对于复杂的电子系统，调试也是一个“系统集成”的过程。 在单元电路调试完成的基础上，可进行系统联调。例如数据采集系统和控制系统，一般由模拟电路、数字电路和微处理器电路构成，调试时常把这3部分电路分开调试，分别达到设计指标后，再加进接口电路进行总调。联调是对总电路的性能指标进行测试和调整，若不符合设计要求，应仔细分析原因，找出相应的单元进行调整。不排除要调整多个单元的参数或调整多次，甚至要修正方案的可能。4.4.1、电子电路的调试具体步骤：1、通电观察：通电后不要急于测量电气指标，而要观察电路有无异常现象，例如有无冒烟现象，有无异常气味，手摸集成电路外封装，是否发烫等。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后再通电。2、静态调试：静态调试一般是指在不加输入信号，或只加固定的电平信号的条件下所进行的直流测试，可用万用表测出电路中各点的电位，通过和理论估算值比较，结合电路原理的分析，判断电路直流工作状态是否正常，及时发现电路中已损坏或处于临界工作状态的元器件。通过更换器件或调整电路参数，使电路直流工作状态符合设计要求。3、动态调试：动态调试是在静态调试的基础上进行的，在电路的输入端加入合适的信号，按信号的流向，顺序检测各测试点的输出信号，若发现不正常现象，应分析其原因，并排除故障，再进行调试，直到满足要求。测试过程中不能凭感觉和印象，要始终借助仪器观察。使用示波器时，最好把示波器的信号输入方式置于“DC”挡，通过直流耦合方式，可同时观察被测信号的交、直流成分。通过调试，最后检查功能块和整机的各种指标（如信号的幅值、波形形状、相位关系、增益、输入阻抗和输出阻抗等）是否满足设计要求，如必要，再进一步对电路参数提出合理的修正。45注意事项1接线前用数字多用表测量电阻、电容参数，并作好记录。2观察振荡波形时，注意两个输出电压的相位关系。3. 运算放大器的电源线、地线切勿接错，否则容易损坏集成片46寻找故障的方法在一般情况下，寻找故障的常规做法是：（1）先用直接观察法，排除明显的故障。例如，有一些元器件没有插牢，还有一些导线之间有短路的现象。（2）再用万用表（或示波器）检查静态工作点。（3）信号寻迹法是对各种电路普遍适用而且简单直观的方法，在动态调试中广为应用。 应当指出，对于反馈环内的故障诊断是比较困难的，在这个闭环回路中，只要有一个元器件（或集成块）出故障，则往往整个回路中处处都存在故障现象。寻找故障的方法是先把反馈回路断开，使系统成为一个开环系统，然后再接入一适当的输入信号，利用信号寻迹法逐一寻找发生故障的元、器件（或集成块）。4.7元件的检测电阻：用万用表测量阻值，比较。普通电容：1、检测10pF以下的小电容 因10pF以下的固定电容器容量太小，用万用表进行测量，只能定性的检查其是否有漏电，内部短路或击穿现象。测量时，可选用万用表R10k挡，用两表笔分别任意接电容的两个引脚，阻值应为无穷大。若测出阻值(指针向右摆动)为零，则说明电容漏电损坏或内部击穿。 2、检测10PF0.01F固定电容器是否有充电现象，进而判断其好坏。万用表选用R1k挡。两只三极管的值均为100以上，且穿透电流要小。可选用3DG6等型号硅三极管组成复合管。万用表的红和黑表笔分别与复合管的发射极e和集电极c相接。由于复合三极管的放大作用，把被测电容的充放电过程