幅度频率可调的锯齿波发生器.doc

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 电子技术基础电子技术基础课程设计 论文 课程设计 论文 题目 题目 幅度频率可调的锯齿波发生器幅度频率可调的锯齿波发生器 院 系 院 系 专业班级 专业班级 学学 号 号 学生姓名 学生姓名 指导教师 指导教师 教师职称 教师职称 起止时间 起止时间 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 1 目目 录录 第第 1 章章 幅度频率可调锯齿波发生器设计方案论证幅度频率可调锯齿波发生器设计方案论证 1 1 11 1 幅度频率可调锯齿波发生器的应用意义幅度频率可调锯齿波发生器的应用意义 1 1 21 2 幅度频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标幅度频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标 1 1 31 3 设计方案论证设计方案论证 1 1 41 4 总体设计方案框图及分析总体设计方案框图及分析 2 第第 2 章章 幅度频率可调锯齿波发生器各单元电路设计幅度频率可调锯齿波发生器各单元电路设计 3 2 12 1 迟滞比较器电路设计迟滞比较器电路设计 3 2 22 2 积分器电路设计积分器电路设计 4 2 32 3 直流稳压电源电路设计直流稳压电源电路设计 5 第第 3 章章 幅度频率可调锯齿波发生器整体电路设计幅度频率可调锯齿波发生器整体电路设计 6 3 13 1 整体电路图及工作原理整体电路图及工作原理 6 3 23 2 电路参数计算电路参数计算 8 3 33 3 整机电路性能分析整机电路性能分析 9 第第 4 章章 设计总结设计总结 9 参考文献参考文献 9 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 2 第第 1 1 章章 幅度频率可调锯齿波发生器设计方案论证幅度频率可调锯齿波发生器设计方案论证 1 11 1 幅度频率可调锯齿波发生器的应用意义幅度频率可调锯齿波发生器的应用意义 在我们日常生活中 以及一些科学研究中 锯齿波是常用的基本测试信号 在无线 电通信 测量 自动化控制等技术领域广泛地应用着各种类型的信号发生器此外 如在 示波器 电视机等仪器中 为了使电子按照一定规律运动 以利用荧光屏显示图像 常 用到锯齿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 要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压 锯齿波电压 使电子束沿水 平方向匀速搜索荧光屏 而电视机中显像管荧光屏上的光点 是靠磁场变化进行偏转的 所以需要要用锯齿波电流来控制 因此锯齿波发生器是我们在学习 科学研究等方面不 可缺少的工具 1 21 2 幅度频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标幅度频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标 设计要求 1 分析设计要求 明确性能指标 必须仔细分析课题要求 性能 指标及应用环境 等 广开思路 构思出各种总体方案 绘制结构框图 2 确定合理的总体方案 对各种方案进行比较 以电路的先进性 结构的繁简 成 本的高低及制作的难易等方面作综合比较 并考虑器件的来源 敲定可行方案 3 设计各单元电路 总体方案化整为零 分解成若干子系统或单元电路 逐个设计 4 组成系统 在一定幅面的图纸上合理布局 通常是按信号的流向 采用左进右出 的规律摆放各电路 并标出必要的说明 功能要求 输出的波形工作频率范围 0 02hz 1khz 连续可调 方波幅值 10v 波峰峰值 20v 各种输出波形幅值均连续可调 1 31 3 设计方案论证设计方案论证 幅度频率可调锯齿波发生器电路可由集成运放构成 也可以由集成函数发生器 8038 构成 还可以由 555 定时芯片构成的自举电路产生 本次设计采用的是集成运放构成的 电路 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 3 1 41 4 总体设计方案框图及分析总体设计方案框图及分析 一 锯齿波发生器 锯齿波发生器锯齿波发生器 迟滞比较器迟滞比较器rcrc 充放电电路充放电电路 如图所示 主要由迟滞比较器和 rc 充放电电路组成 比较器属于信号处理的一种 主要用于比较输入信号的电平 并将比较的结果输出 其特点是 当输入增大及减小时 两种情况下的门限电压不相等 传输特性呈现出 滞回 曲线的形状 二 直流稳压电源 常用电子仪器或设备 如示波器 电视机等 所需要的直流电源 均属于单相小功 率直流电源 功率在 1000w 以下 它的任务是将 220v 50hz 的交流电压转换为幅值稳 定的直流电压 例如几伏或几十伏 同时能提供一定的直流电流 比如几安甚至几十安 单相小功率直流电源一般由电源变压器 整流 滤波和稳压电路四部分组成 如图所 示 其工作过程一般为 首先由电源变压器将 220v 的交流电压变换为所需要的交流电压 值 然后利用二极管单向导电性将交流电压整流为单向脉动的直流电压 再通过电容或 电感等储能元件组成的滤波电路减小其脉动成分 从而得到比较平滑的直流电压经过整 流 滤波后得到的直流电压易受电网波动及负载变化的影响 一般有 10 左右的波动 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 4 必须加稳压电路 可利用负反馈等措施维持输出直流电压的稳定 第第 2 2 章章 幅度频率可调锯齿波发生器各单元电路设计幅度频率可调锯齿波发生器各单元电路设计 2 12 1 迟滞比较器电路设计迟滞比较器电路设计 图 a 01 单门限电压比较器虽然有电路简单 灵敏度高等特点 但其抗干扰能力差 例如 在单门限电压比较器的图 a 01 中 当vi中含有噪声或干扰电压时 其输入和输出电压波 形如图 a 01 所示 由于在vi vth vref附近出现干扰 vo将时而为voh 时而为vol 导致 比较器输出不稳定 如果用这个输出电压vo去控制电机 将出现频繁的起停现象 这种 情况是不允许的 提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器 图 a 02a 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 5 迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器 图 a 02a 所示为反相输入迟滞比较 器原理电路 它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络 其传输特 性如图 a 02b 所示 如将vi与vref位置互换 就可组成同相输入迟滞比较器 由于正反 馈作用 这种比较器的门限电压是随输出电压 vo 的变化而改变的 它的灵敏度低一些 但抗干扰能力却大大提高了 图 a 02b 反相输入迟滞比较器 2 22 2 积分器电路设计积分器电路设计 积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路 它是组成模拟计算机的基本单 元 可以实现对微分方程的模拟 同时 积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单 元 利用其充放电过程可以实现延时 定时以及各种波形的产生 图 b 积分电路 电路组成如图 b 根据理想运放工作在线型区时 虚短 和 虚断 的特点可知 电 路的输出电压 uo与电容两端的电压 uc成正比 而电路的输入电压 ui与流过电容的电流 ic成正比 即 uo与 ui之间成为积分运算关系 由于集成运放的反相输入端 虚地 故可见输出电压与电容两端电压成正 co uu 比 又由于 虚断 运方反相输入端的电流为零 则 故即输入电压 c ii riiru ci 1 与流过电容的电流成正比 由以上几个表达式可得 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 6 dtu 1 dti c 1 uu icco rc 由此可知 当输入电压为矩形波时 通过积分换算 输出电压即可转变为三角波 2 3 直流稳压电源电路设计 图 c 图 c 为串联反馈是稳压电路的一般结构图 图中 v1是整流滤波电路的输出电压 t1 t2为调整管 a 为比较放大电路 vref为基准电压 它由稳压管 dz与限流电阻 r 串联 所构成的简单稳压点电路获得 r3 r4 rw与组成反馈网络 是用来反映输出电压变化的 取样环节 这种稳压电路的主回路是起调整作用的 bjt t 与负载串联 输出电压的变化量由反 馈网络取样经放大电路 a 放大后去控制调整管 t 的 c e 极间的电压降 从而达到稳定输 出电压 v0的目的 稳压原理可简述如下 当输入电压 vi增加 或负载电流 i0减小 时 导致输出电压 v0增加 随之反馈电压 vf r2v0 r1 r2 fvv0也增加 fv为反馈系数 vf与基准电压 vref相比较 其差值电压经比较放大电路放大后使 vb和 ic减小 调整管 t 的 c e 极间电压 vce增大 使 v0下降 从而维持 v0基本恒定 同理 当输入电压 vi减小 或负载电流 i0增加 时 亦将使输出电压基本保持不变 从反馈放大电路的角度来看 这种电路属于电压串联负反馈电路 调整管 t 连接成 电压跟随器 因而可得 vb av vref fvv0 v0 或 v0 vrefav 1 avfv 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 7 式中 av是比较放大电路的电压增益 使考虑了所带负载的影响 与开环增益 avo 不 同 在深度负反馈条件下 1 avfv 1 时 可得 v0 vref fv vref 1 r1 r2 上式表明 输出电压 v0与基准电压 vref近似成正比 与反馈系数 fv成反比 当 vref 及 fv已定时 v0也就确定了 因此它是设计稳压电路的基本关系式 值得注意的是 调整管 t 的调整作用是依靠 vf和 vref之间的偏差来实现的 必须有偏差 才能调整 如果 v0绝对不变 调整管 vce的也绝对稳定 那么电路也就不能起调整作用 了 所以 v0不可能达到绝对稳定 只能是基本稳定 因此 图 2 1 1 所使得系统是一个 闭环有差调整系统 由以上分析可知 当反馈越深时 调整作用越强 输出电压 v0也越稳定 电路的稳 压系数和输出电阻 r0也越小 第第 3 3 章章 幅度频率可调锯齿波发生器整体电路设计幅度频率可调锯齿波发生器整体电路设计 3 13 1 整体电路图及工作原理整体电路图及工作原理 1 电路组成 图 d 图 d 所示为一个锯齿波发生电路 图中集成运放 a1组成迟滞比较器 二极管 vd1 vd2和电位器 rw 使积分电路的充放电回路分开 故 a2组成充放电时间常数不等的 积分电路 调节电位器 rw滑动端的位置 使 rw1远小于 rw2 则电容放电的时间常数将比 充电的时间常数小得多 于是放电过程很快 而充电过程很慢 即可得锯齿波 迟滞比 较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端 而积分电路输出的锯齿波又接到迟滞比 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 8 较器的同相输入端 控制迟滞比较器输出端的状态发生跳变 从而在 a2的输出端得到周 期性的锯齿波 2 整体电路 2 工作原理 假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平 而且假设积分电容上的初始电压为零 由于 a1同相输入端的电压 u 同时与 uo1和 uo有关 根据叠加原理 可得 1 o 21 2 1o 21 1 u rr r u rr r u 则此时 u 也为高电平 但当时 积分电路的输出电压 uo将随着时间往负方向线 z1o uu 性增长 u 随之减小 当减小至时 滞回比较器的输出端将发生跳变 使0 uu 同时 u 将跳变为一个负值 以后 积分电路的输出电压将随着时间往正方向 z1o uu 线性增长 u 也随之增大 当增大至时 滞回比较器的输出端再次发生跳变 0 uu 使 同时 u 也跳变为一个正值 然后重复以上过程 于是可得滞回比较器的输 z1o uu 出电压为矩形波 而由于积分电路的充放电时间不等 故积分电路输出电压 uo 为锯 1o u 齿波 如图 e 所示 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 9 图 e 锯齿波发生电路的波形图 由上图可知 当发生跳变时 锯齿波输出 uo达到最大值 uom 而发生跳变的 1o u 1o u 条件是 将条件 代入 1 式 可得 0 uu z1o uu 0 u 2 mo 21 2 z 21 1 u rr r u rr r 0 由此可解得锯齿波输出的幅度为 3 z 2 1 om u r r u 要使得幅度可调 由 3 式可知 改变参数即可 所以实际电路中采用滑动 1 r 1 r 变阻器 调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度 从而满足设计要求 3 23 2 电路参数计算电路参数计算 门限电压的估算 vp1 v1 rw2 vi vo1 rw2 r5 考虑到电路翻转时 有 vn1 vp1 0 即得 v1 vth vo1 rw2 r5 由于 vo1 vz 由上式 可分别求出上 下门限电压和门限宽度为 vt vzr1 r5 vt vzrw2 r5和 vt vt vt 2vzrw2 r5 辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 论 文 10 3 33 3 整机电路性能分析整机电路性能分析 本次所设计的幅度频率可调的锯齿波发生器可实现输出的波形工作频率范围 0 02hz 1khz 连续可调 方波幅值 10v 波峰峰值 20v 各种输出波形幅值均连续可调 基本达到设计要求 第第 4 4 章章 设计总结设计总结 通过这次课程设计 我不仅把知识融会贯通 而且丰富了大脑 同时在查找资料的 过程中也了解了许多课外知识 开拓了视野 认识了将来的发展方向 使自己的专业知 识方面和动手能力方面有了质的飞跃 通过这次亲手