矩形波发生器.doc

课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 指导教师： 工作单位： 信息工程学院 题 目: 宽度可调的矩形波发生器 初始条件：本课程设计，要求用使用Proteus仿真软件进行系统设计与仿真。 要求完成的主要任务: （包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）1、课程设计工作量：1周内完成对系统的设计、仿真。2、技术要求： 1）使用集成运算放大器设计一种宽度可调的矩形波发生器，进行仿真实验，并说明其工作原理。 2）要求学生主动思考，自主发挥，实现系统的特色功能。3、查阅至少5篇参考文献。按武汉理工大学课程设计工作规范要求撰写设计报告书。全文用 A4纸打印，图纸应符合绘图规范。提交报告的主要内容：（使用Proteus 7.5 sp3）1. 题目2. 仿真所完成的主要功能和特色简介摘要（特别是自己扩展的功能，根据特色功能评优）3. Proteus仿真的基本流程4. 所使用芯片以及引脚功能简介（需要提供对应芯片DataSheet的下载链接）5. 设计方案与工作原理，给出仿真电路图6. 实验记录与结果分析时间安排：1） 2011 年 7 月 910 日， 查阅相关资料，学习设计原理。2） 2011 年 7 月 1112 日， 方案选择和电路设计仿真。3） 2011 年 7 月 13 日， 设计说明书撰写。4） 2011 年 7 月 14 日 上交报告，同时进行答辩。参考文献：1 吴友宇. 模拟电子技术基础（第一版）.北京.清华大学出版社.20092 刘泉 通信电子线路（第二版）武汉.武汉理工大学出版社.20053 陈梓城.实用电子电路设计与调试.北京. 中国电力出版社.2006 指导教师签名： 年 月 日 系主任（或责任教师）签名： 年 月 日1 绪论1.1 设计背景信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器，其频率范围可从几个微赫到几十兆赫，除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。本设计是使用集成运算放大器设计一种宽度可调的矩形波发生器。它主要由反相输入的滞回比较器和RC电路组成，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。而使电容的正向和反向充电时间常数不同，利用二极管的单向导电性引导电流流经不同的通路，就形成占空比可调的矩形波发生电路。1.2 基础强化训练目的本环节主要内容是应用Proteus软件，结合模拟电子技术基础、数字电子技术基础等专业课程，强化和巩固专业理论基础和掌握Proteus仿真的技巧，为后续的专业课程学习打下良好的基础。通过该环节，巩固和深化所学课程的知识，培养学生综合运用所学课程知识，分析和解决实际问题的能力，使学生能比较全面而辩证地分析和处理问题，逐步树立正确的设计思想；培养严谨认真的科学态度和严谨务实的工作作风。2 Proteus软件简介Proteus软件是由英国Labcenter Electronics公司开发的EDA工具软件，已有近20年的历史，在全球得到了广泛应用。Proteus软件的功能强大，它集电路设计、制版及仿真等多种功能于一身，不仅能够对电工、电子技术学科涉及的电路进行设计与分析，还能够对微处理器进行设计和仿真，并且功能齐全，界面多彩，是近年来备受电子设计爱好者青睐的一款新型电子线路设计与仿真软件。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。Proteus软件的模拟仿真直接兼容厂商的SPICE模型，采用了扩充的SPICE3F5电路仿真模型，能够记录基于图表的频率特性、直流电的传输特性、参数的扫描、噪声的分析、傅里叶分析等，具有超过8000种的电路仿真模型。Proteus软件支持许多通用的微控制器，如PIC、AVR、HC11以及8051；包含强大的调试工具，可对寄存器、存储器实时监测；具有断点调试功能及单步调试功能；具有对显示器、按钮、键盘等外设进行交互可视化仿真的功能。此外，Proteus可对IAR C-SPY、KEIL等开发工具的源程序进行调试。此外，在Proteus中配置了各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、频率计，便于测量和记录仿真的波形、数据。3 设计摘要3.1 基本设计本次设计要求使用集成运算放大器设计一种宽度可调的矩形波发生器。我设计的电路主要由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。滞回比较器起开关作用，RC电路的作用是产生暂态过程。RC回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。在运算放大器的输出端引入的限流电阻和两个背靠背的稳压二级管，起到了双向限幅的作用。通常将矩形波输出高电平的持续时间与振荡周期的比定义为占空比。电路利用二极管的单向导电性引导电容充、放电时电流流经的通路不同，从而使它们的时间常数不同，实现了矩形波发生器输出电压占空比的可调。3.2 拓展功能4 方案设计与原理分析4.1 LM324元件介绍本次设计采用LM324集成运算放大器实现矩形波发生器功能。LM324为带有差动输入的四运算放大器，采用14脚双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，LM324工作电压范围宽，可用正电源330V，或正负双电源15V15V工作。它的输入电压可低到地电位，而输出电压范围为OVcc。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互单独。每个运放有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 图1 LM324原理图 LM324引脚排列如图2所示，其引脚功能见表1。图2 LM324引脚图表1 LM324引脚功能表引脚功能电压（V）引脚功能电压（V）1输入13.0 8输入33.0 2反向输入12.79反向输入32.43正向输入12.810正向输入32.84电源5.111电源0.0 5正向输入22.812正向输入42.86反相输入21.0 13反相输入42.27输出23.0 14输出43.0 4.2电路设计分析4.2.1 电路组成及工作原理矩形波发生器由反相输入的滞回比较器和RC积分电路组成。矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以滞回比较器起开关作用，使输出在高低电平之间转换。RC电路的作用是产生暂态过程。因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。RC回路既是延迟环节，亦是反馈网络，通过RC充、放电过程实现输出状态的自动转换。而输出端引入的限流电阻R0和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的作用。电路图如图3所示：图3 矩形波发生器电路图将输出电压U0经过RC积分电路，利用电容的充放电电压取代外加输入信号送入比较器反相端，与同相端上的门限电压相比较，使比较器的输出不断发生转化，从而形成高低电平周期性交替的矩形振荡波形。接通电源的瞬间，电容C的初始电压为0，电路输出电压U0高电平或者低电平是随机的，假设输出电压为高电平U0=+UZ，则运放的同相输入端电位是U+=UT+. （R2-R3 R1-R2）(1)u0通过R对电容C正向充电，使UC增加，当UC上升到略大于UT+，比较器输出电压发生反转，U0由+UZ变为-UZ，同相端的电位U+由UT+变为UT-。(2)UC通过R对电容反向放电，使UC减小，当UC减小到略小于UT-，比较器输出电压发生反转，U0由-UZ变为+UZ，同相端的电位U+由UT-变为UT+。上述过程周而复始，电路产生了输出状态的自动转换，便输出方波。电路输出状态发生跳变的临界条件为：U- = U+ 其中：当输出U0为高电平时：当输出U0为低电平时：刚开始振荡建立时，由于电路中的电扰动，并通过正反馈，使输出很快变为高电平或低电平。电容上电压uC和电路输出电压uO波形如下图4所示：图4 电压传输特性曲线振荡周期为：而方波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为RC，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内uO=+UZ的时间与uO=-UZ的时间相等，即方波T1 = T2。调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。振荡周期：振荡频率：4.2.2 矩形波宽度可调的实现由以上的矩形波发生器电路可以看出，如果使电容正向和反向充电的时间常数不同，即两个充电回路的参数不同，即可实现矩形波宽度可调。可以利用二极管的单向导电性引导电流流经不同的通路，使积分电容C充电和放电的时间常数不等。宽度可调的矩形波发生器如下图5所示： 图5 宽度可调的矩形波发生器当Uo=+Uz时，Uo通过Rw1、VD1和R对电容C正向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数 当Uo=-Uz时，Uo通过Rw2、VD2和R对电容C反向充电，若忽略二极管导通时的等效电阻，则时间常数 解出： T=+(+2)Cln上式表明改变滑动变阻可以改变波形宽度，但周期不变。占空比为 当Rw动臂上移时，充电时间常数将大于放电时间常数，则波形变宽，反之则变窄。因此通过调节Rw，即可连续地改变其占空比的大小。5. Proteus仿真 5.1 原理图绘制1) 进入Proteus界面后，单击工具栏上的“新建”按钮，新建一个设计文档。单击“保存”按钮，在弹出的对话框中的文件名框中输入“矩形波发生器”，再单击“保存”按钮，完成新建设计文件操作，其后缀名自动为.DSN。2) 单击绘图工具栏中的元件模式中的“P”按钮，弹出如图6所示的选取元器件对话框，在此对话框左上角“keywords(关键词)”一栏中输入元器件名称，如“LM324”，系统在对象库中进行搜索查找，并将与关键词匹配的元器件显示在“Results”中。在“Results”栏中的列表项中，双击“LM324”，则可将其添加至对象选择器窗口。图6 Proteus元件选择框3) 按照此方法完成其它元器件的选取，如果忘记关键词的完整写法，可以用“*”代替，如“SWITC*”可以找到开关。被选取的元器件都加入到ISIS对象选择器中。5.2开始仿真电路连接无误后，在绘图栏中选择虚拟仪器菜单中的Oscilloscope（示波器）选项，将其放置到图形编辑窗口，连接相应导线至测试点U0、Uc，单击仿真键仿真。完整仿真电路图如图7所示：图7 仿真电路图5.3 仿真结果在电路原理图中，已经将各元件安放参数调试完毕。下面就需要用示波器观察输出参考点波形。第一个采样点选取输出电压U0，第二个采样点选取电容电压Uc。仿真波形如图8所示：图8 仿真波形1可见输出电压U0是矩形波信号。1） 当将滑动变阻器向上拨动时，仿真波形如图9所示：图9 仿真波形2此时矩形波高电平持续时间减少，即矩形波的占空比减小。2） 当将滑动变阻器向下拨动时，仿真波形如图10所示：此时矩形波高电平持续时间增加，即矩形波的占空比增大。所以该电路能够产生矩形波信号，并实现其宽度可调，满足了本次设计要求。5.4 实物制作根据原理图购买相应的元件，制成实物。实物图见图11：图11 实物图6. 功能拓展6.1 三角波发生器在矩形波发生电路中，当滞回比较器的阈值电压数值比较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算的输出就得到三角波电压。三角波发生器电路如图12所示：图12 三角波发生器三角波波形如图13所示：图13 三角波波形6.2 阶梯波发生器阶梯波级数由电容C2和C3比值决定，此处为10级。阶梯波发生器电路如图所示：阶梯波波形如图所示：7 心得体会8 元件清单序 号名 称规 格数 量1电阻1K12电阻10K33电容0.1uF14二极管25稳压二极管26滑动变阻器100K17LM32419 参考文献1 吴友宇. 模拟电子技术基础（第一版）.北京.清华大学出版社.20092 康