幅度频率可调的锯齿波发生器.doc

辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学 模拟电子技术基础模拟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 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 专业班级 专业班级 测测 控控 121121 学学 号 号 1 1 2 2 0 0 3 3 0 0 1 1 0 0 2 2 0 0 学生姓名 学生姓名 杨杨 富富 光光 指导教师 指导教师 签字 起止时间 起止时间 2014 6 30 2014 7 112014 6 30 2014 7 11 本科生课程设计 论文 III 课程设计 论文 任务及评语课程设计 论文 任务及评语 院 系 电子与信息工程学院 教研室 电子信息工 程 学 号120301020学生姓名杨富光专业班级测控121 课程设计 论文 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 课程设计 论文 任务 设计参数 设计参数 1 现设计并制作能产生锯齿波波形信号输出的函数发生器 2 设计电路所需的直流稳压电源 3 输出的波形工作频率范围 0 02Hz 1kHz 连续可调 3 方波幅值 10V 波峰峰值 20V 各种输出波形幅值均连续可调 设计要求 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 进度计划 第 1 天 集中学习 第 2 天 收集资料 第 3 天 方案论证 第 4 天 选择器 件进行单元电路设计 第 5 天 单元电路设计及仿真 第 6 天 整体电路设计 并仿真 第 7 天 电路焊接制板 第 8 天 焊接调试 第 9 天 完善设计 第 10 天 答辩 指导教师评语及成绩 平时 论文质量 答辩 总成绩 指导教师签字 年 月 日 本科生课程设计 论文 IV 注 成绩 平时20 论文质量60 答辩20 以百分制计算 本科生课程设计 论文 V 摘 要 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 关键词 锯齿波发生器 直流稳压电源 迟滞比较器 本科生课程设计 论文 VI 目 录 第 1 章 绪论 1 1 1 幅度频率可调的锯齿波发生器概况 1 1 2 本文研究内容 2 第 2 章 幅度频率可调的锯齿波发生器电路设计 3 2 1 幅度频率可调的锯齿波发生器总体设计方案 3 2 2 具体电路设计 4 2 2 1 滞回比较器电路设计 4 2 2 2 积分器电路设计 6 2 2 3 直流稳压电源电路设计 7 2 3 元器件型号选择 9 2 4 MULTISIM仿真 数据分析 11 第 3 章 课程设计总结 13 参考文献 14 元器件清单 15 本科生课程设计 论文 1 第 1 章 绪论 1 1 幅度频率可调的锯齿波发生器概况 人类社会已经进入信息化时代 信息社会的发展离不开电子产品的发展 锯 齿波和正弦波 三角波是常用的基本测试信号 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 平方向均匀搜索荧光屏 而电视机显像管荧光屏上的光点 是靠磁场变化进行偏 转的 所以需要用锯齿波电流来控制 因此 锯齿波在实际中有广泛的应用 由 于不同的电子产品可能需要不同频率及幅度的锯齿波 设计可调电阻就会得到与 它匹配的波形 从而使得它能正常工作 使它的工作效率达到最高 本科生课程设计 论文 2 1 2 本文研究内容 根据频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标设计电路 设计要求 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 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 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 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 本科生课程设计 论文 3 第 2 章 幅度频率可调的锯齿波发 生器电路设计 2 1 幅度频率可调的锯齿波发生器总体设计方案 方案 一 设计一个集成电路 可以直接对其进行调频调幅 这种电路的性能好 而且 使用能力强 工作范围大 但是这种电路大多采用集成元件 成本较高 并且它 的工艺要求较高 焊接等技术要求都很高 因此不易选择此设计方案 方案 二 设计一个锯齿波发生器和一个稳压源 锯齿波发生电路需要同相输入迟滞比 较器和充放电时间常数不等的积分器构成 这种设计基于电路简单 性能较为良 好 器件选择灵活 并且器件价格便宜 因此本次设计选择此方案 总体设计框 图如图 1 图 1 总体设计框图 本科生课程设计 论文 4 2 2 具体电路设计 2 2 1 滞回比较器电路设计 图 2 滞回比较器电路原理图 滞回比较器具有电路简单 灵敏度高等优点 在比较电路当中 如果输入电 压受到干扰或噪声的影响 在门限电平上下波动 则输出电压将在高 低两个电 平之间反复地跳变 如在控制系统中发生这种情况 将对执行机构产生不利的影 响 滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷 滞回比较器又名施密特触发器 其电路如图 2所示 输入电压 Ui 经电阻 R2加在集成运放的反相输入端 参考电压 Uref 经电阻 R1接在同相输入端 此外从输出端通过电阻 Rf 引回同相输入端 电阻 R3和背靠 背稳压管 VDz 的作用是限幅 将输出电压的幅度限制在 Uz 在本电路中 当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等 即 U U 时 输出端的状态将发生跳变 其中 U 则由参考电压 Uref 及输出电压 Uo 二者共 同决定 而 Uo 有两种可能的状态 Uz 或 Uz 由此可见 这种比较器有两个不 同的门限电平 故传输特性呈滞回形状 如图 3所示 本科生课程设计 论文 5 图 3 滞回比较器的传输特性 其门限宽度 U 的值取决于稳压管的稳定电压 Uz 以及电阻 R2和 Rf 的值 但与 参考电压 Uref 无关 也就是说 当 Uref 增大或减小时 滞回比较器的传输特性 将平行地右移或左移 但滞回曲线的宽度将保持不变 说明滞回比较器的抗干扰 能力强 当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时 只要根据干扰或噪声电 平适当调整滞回比较器两个门限电平 UT 和 UT 的值 就可以避免比较器的输 出电压在高低电平间反复跳变 本科生课程设计 论文 6 2 2 2 积分器电路设计 图 4 积分电路 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 电路组成如图4 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 Uo Ui 可见输出电压与电容两端 电压成正比 又由于 虚断 运方反相输入端的电流为零 则 i ic 故 Ui i R1 ic R 即输入电压与流过电容的电流成正比 由以上几个表达式可得 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 本科生课程设计 论文 7 2 2 3 直流稳压电源电路设计 图 5 直流稳压电源的组成 直流稳压电源是提供直流电压的电源设备 由电源变压器 整流 滤波 和 稳压电路四部分组成 如图 5所示 图示为由分立元件组成的串联型稳压电源的 电路图 其整流部分为单相桥式整流电路 滤波部分为电容滤波电路 稳压部分 为串联稳压电路 对输入电压的要求 输入电压的选取原则是 在最坏的条件下 仍能保证调整管处于放大状态 不能饱和 对调整管的要求 晶体管的额定电流 Icm 应大于输出电流 晶体管的耐压应高于输入电压 晶体管的最大允许耗散功率 应大于调整管集电极最大功率 1 电源变压器 将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压 一般次级 电压 u2 较小 2 整流电路 将变压器次级交流电压 u2 变成单向的直流电压 u3 它包含 直流成份和许多谐波分量 3 滤波电路 滤除脉动电压 u3 中的谐波分量 输出比较平滑的直流电压 u4 该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化 4 稳压电路 它能在电网电压和负载电流的变化时 保持输出直流电压的 稳定 它是直流稳压电源的重要组成部分 决定着直流电源的重要性能指标 本科生课程设计 论文 8 图 6 直流稳压电源电路 具体设计如图 6 LM7815CT 为集成稳压器 稳压为15V 仿真得到的电压 为 U 15 517符合本实验运放所需的 VCC VEE 15V 本科生课程设计 论文 9 2 3 元器件型号选择 图 7所示为一个锯齿波发生电路 图中集成运放 A1组成滞回比较器 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 滞回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 从而在 A2的输出端得到周期性的锯齿波 图 7 幅度可调锯齿波发生器整体电路 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 则此时 U 也为高电平 但当 Uo1 Uz 时 积分电路的输出电压 Uo 将随着 时间往负方向线性增长 U 随之减小 当减小至 U U 0时 滞回比较器的 输出端将发生跳变 使 Uo1 Uz 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线性增长 U 也随之增大 当增大至 U U 0时 滞回比较器的输出端再次发生跳变 使 Uo1 Uz 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出电压 Uo1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 为锯齿波 如图 8所示 本科生课程设计 论文 10 图 8 锯齿波发生电路的波形图 由上图可知 当 Uo1发生跳变时 锯齿波输出 Uo 达到最大值 Uom 而 Uo1发 生跳变的条件是 U U 0 将条件 Uo1 Uz U 0代入 1 式 可得 2 由此可解得锯齿波输出的幅度为 3 要使得幅度可调 由 3 式可知 改变参数 R1即可 所以实际电路中 R1采用滑 动变阻器 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 由 上述分析确定元器件型号及参数 详见元器件清单 本科生课程设计 论文 11 2 4 MULTISIM 仿真 数据分析 幅度可调锯齿波发生电路包括两部分 一是由集成运算放大器组成的滞回 比较器电路 二是由集成运算放大器组成的积分电路 它的主要元器件包括集 成运算放大器 电容 电阻 可调电位器 二极管 稳压管等 将滞回比较器 的输出电压接在示波器通道 A 一端 积分电路的输出电压接在示波器的通道 B 一端 如图 9 便可对电路进行仿真 得出仿真结果 如图 10 图 9 幅度可调锯齿波仿真图 本科生课程设计 论文 12 为满足锯齿波 0 10v 幅度可调以及调试的方便 我们取 R1 为 15k 的可调 滑动变阻器 R2 7 5k 稳压管的幅度为 5v 由 3 式可知 锯齿波的最大幅度 理论值为 Uom R1 R2 Uz 15 7 5 5 10v 图 10 仿真结果 电路中采用的是虚拟器件 因此有可能影响仿真结果 由图 10 可知 仿真 时锯齿波的最大幅度可达 11 2v 比理论值稍大 仿真结果同预期结果大体相 同 本科生课程设计 论文 13 第 3 章 课程设计总结 通过这次课程设计 加强了我们动手 思考和解决问题的能力 刚开始拿到 题目还不知道怎么下手 把 模拟电子技术 中有关本次设计的内容复习了一遍 去图书馆查阅了相关的资料 和我们组的同学一起讨论分析 仔细研究资料 对 整体框架做了一个初步的了解 做完准备工作后就正式开始设计与绘图 在设计 过程中 经常会遇到这样那样的情况 在实际接上电路 会出现实现不了的情况 在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强 在这次课程设计过程中 我们 了解了很多元件的功能 并且对于其在电路中的使用有了更多的认识 通过动手 实践让我们对各个元件映象深刻 这次设计让我熟练掌握了课本上的一些理论知 识 加强了我收集资料和充分利用资料的能力 查到了关于这方面内容的详细资 料 通过对资料的理解和分析 弄动其工作原理后 我设计出所须的电路 认识 来源于实践 实践是认识的动力和最终目的 实践是检