多种波形发生器.doc

辽 宁 工 业 大 学电子技术基础课程设计（论文）题目：多 种 波 形 发 生 器院（系）：电气工程学院 专业班级：电气091 学 号：090303008 学生姓名： 周传洲 指导教师： 教师职称： 起止时间： 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090303008学生姓名周传洲专业班级电气091课程设计（论文）题目多 种 波 形 发 生 器课程设计（论文）任务设计任务：1. 波形的产生及变换电路是应用极为广泛的电子电路，现设计并制作能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。2. 设计电路所需的直流稳压电源。功能要求：1. 输出的各种波形工作频率范围0.02Hz1kHz连续可调。2. 正弦波幅值10V，失真度小于1.5。3. 方波幅值10V。4. 三角波峰峰值20V；各种输出波形幅值均连续可调。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。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 年 月 日目 录第1章 多种波形发生器设计方案论证11.1多种波形发生器的应用意义11.2 多种波形发生器设计的要求及技术指标11.3 设计方案论证11.4 总体设计方案框图及分析3第2章 多种波形发生器各单元电路设计32.1 直流稳压电源电路设计42.2 方波-三角波电路设计52.3 三角波-正弦波电路设计6第3章 多种波形发生器整体电路设计63.1 整体电路图及工作原理63.2 电路参数计算73.3 整机电路性能分析8第4章 设计总结9参考文献9多种波形发生器设计方案论证1.1多种波形发生器的应用意义函数发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。函数发生器在电子实验室中有着广泛的用途，它可以完成许多任务：如提供一个信号,用于对音频放大器及其各级放大电路进行测试。提供一个测试信号，可以将该信号加到音频电路中的各点，来确定各具体级是否在工作。提供一个稳定的信号，用于对超外差式接收机的中频放大器和任何接收机的射频部分进行调整，产生复杂波形。对所有类型的滤波电路进行测试。1.2多种波形发生器设计的要求及技术指标设计要求：1、能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。2、设计电路所需的直流稳压电源。3、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。4、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。5、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。6、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。技术指标：1、输出的各种波形工作频率范围0.02Hz1kHz连续可调。2、正弦波幅值10V，失真度小于1.5。3、方波幅值10V。4、三角波峰峰值20V；各种输出波形幅值均连续可调。1.3设计方案论证（一）波形产生电路方案构思与论证：1、可以用正弦振荡器产生正弦波输出，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再用积分电路将方波变换成三角波输出。文氏电桥振荡电路产生正弦波原理框图： 直流电源方波产生电路三角波产生电路该方案结构简单，具有较好的正弦波和方波信号，要通过积分器电路产生同步的三角波，存在一定的困难。原因是积分电路的积分常数通常是不变的，而随着方波信号频率的改变，积分电路输出三角波幅度将同时改变。若要保持三角波输出幅度不变，则须同时改变积分时间常数的大小。2、 可以先用比较器产生方波输出，方波经积分电路可得到三角波输出，利用折线近似法三角波变换为正弦波输出。方波产生电路直流电源三角波产生电路正弦波产生电路该电路方波三角波产生电路视为一体，因为比较器A1与积分器A2组成正反馈闭电路。集成运放构成电压比较器，输出方波信号，运放构成积分器，将方波变换成三角波输出。三角波正弦波电路的转换可以通过折线法来实现，而且实际效果要优于理论。3、 随着集成制造技术的不断发展，信号发生器已被制造成集成专用集成电路。利用单片函数发生器5G8038、集成振荡 555 等。可以灵活地组成各种波形产生电路。考虑到该方案的器件来源问题，舍弃该方案。（2） 直流稳压电源原理方框图：电源变压器 整流直流稳压电源滤波稳压本实验直流电源部分选择串联型直流稳压电源，整个电路包括：变压器将220v电压降到我们试验所需的电压，然后经过整流电路，整流电路通常用单相桥式整流电路、滤波电路常采用无源元件R、L、C构成的不同类型滤波电路。由于本电路为小功率可用电容输入式滤波电路。稳压电路采用串联型稳压电路，比较放大单元采用分立三极管组成的差动放大器或者集成运算放大器，可提高电路的稳定性。1.4总体设计方案框图及分析经过比较，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，最终选择方案2。总体设计方案框图：方波 正弦波形成电路方波产生电路三角波形成电路 正弦波锯齿波直流电源频率选择控制该电路方波三角波产生电路视为一体，因为比较器A1与积分器A2组成正反馈闭电路。集成运放构成电压比较器，输出方波信号，运放构成积分器，将方波变换成三角波输出。本电路的不足可以通过分多个频率波段选多个电容的方法来弥补。三角波正弦波电路的转换可以通过折线法来实现，而且实际效果要优于理论多种波形发生器各单元电路设计W31772.1直流稳压电源电路设计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,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.如果集成稳压器离滤波电容C1较远时，应在W317靠近输入端处接上一只0.1微法的旁路电容C2。接在调整端和地之间的电容C3，是用来旁路电位器Rp两端的纹波电压。当C3的电容量为10微法时，纹波抑制比可提高20dB，减到原来的1/10。另一方面，由于在电路中接了电容C3，此时一旦输入端或输出端发生短路，C3中储存的电荷会通过稳压器内部的调整管和基准放大管而损坏稳压器。为了防止在这种情况下C3的放电电流通过稳压器，在R1两端并接一只二极管D2。 W317集成稳压器在没有容性负载的情况下可以稳定地工作。但当输出端有500-5000pF的容性负载时，就容易发生自激。为了抑制自激，在输出端接入一只1微法的电容C4。该电容还可以改善电源的瞬态响应。但是接上该电容以后，集成稳压器的输入端一旦发生短路，C4将对稳压器的输出端放电，其放电电流可能损坏稳压器，故在稳压器的输入与输出端之间，接一只保护二极管D1。Uo22.2方波-三角波电路设计Uo1电路原理：若a点断开，整个电路成开环态。运算放大器A1与R1，R2及R3，Rp1组成电压比较器，C1称为加速电容，可加速比较器的翻转。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相端接输入电压Uin，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平近似等于平电源电压+Ucc，低电平近似等于负电源电压-Uee，当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平+Ucc跳到低电平-Uee，或从低电平-Uee跳到高电平+Ucc。 得出结论：（1）电位器Rp2在调整方波-三角波的输出频率时，不会影响输出的幅度。若要求输出频率范围较宽，可用C2改变频率的范围，Rp2实现频率微调。（2）方波的输出幅值应近似等于电源电压+Ucc。三角波的输出幅值应不超过电源电压+Ucc。电位器Rp1可实现幅度微调，但会影响方波-三角波的频率。2.3三角波-正弦波电路设计三角波-正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。其中Rp1调节三角波的幅度，Rp2调整电路的对称性，其并联电阻RE2用来减小差分放大器的线性区。电容C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，以滤除谐波分量，改善输出波形。多种波形发生器整体电路设计3.1整体电路图及工作原理工作原理：串联型稳压电源为运算放大器提供10v稳定电压。运算放大器A1与R1、R2及R3、Rp1组成电压比较器，比较器翻转，输出Uo1从高电平+Ucc跳到低电平-Ucc，或从低电平-Ucc跳到高电平+Ucc，产生方波。运放A2与R4、Rp2、C及R5组成反相积分器，其输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo2=-1/（R4+Rp2）C2Uo1dt，由分析可得：积分器的输入为方波时，输出的是一个上升速率与下降速率相等的三角波。由于电子器件非理想性，使各段折线交界处产生了钝化效果，实际效果优于理论分析3.2电路参数计算方波三角波转换电路的参数选择：比较器A1与积分器A2的元件参数计算：Uo2m=R2Ucc/（R3+Rp1），即 R2/（R3+Rp1）=Uo2m/Ucc=10/10=1取R2=10k欧，则R3+Rp1=10k欧，取R3=5k欧，Rp1为5k欧的电位器。取平衡电阻R1=R2（R3+Rp1）5k欧。本实验选有4个频率波段：0.021Hz，1Hz10Hz，10Hz100Hz，100Hz1KHz各波段所选电容不同。由式f=（R3+Rp1）/4R2（R4+Rp2）C2，得 R4+Rp2=（R3+Rp1）/4R2C2f当0.02Hzf1Hz时，取C2=100微法，R4+Rp2=125k欧2.5k欧，取R4=2.5k欧取Rp2=150k欧的电位器当1Hzf10Hz时，取C2=10微法，R4+Rp2=25k欧2.5k欧，取R4=2.5k欧取Rp2=150k欧的电位器当10Hzf100Hz时，取C2=1微法，R4+Rp2=125k欧2.5k欧，取R4=2.5k欧取Rp2=150k欧的电位器当100Hzf1kHz时，取C2=0.1微法，R4+Rp2=125k欧2.5k欧，取R4=2.5k欧取Rp2=150k欧的电位器以此实现频率波段的转换，R4及Rp2的取值不变。取平衡电阻R5=10k欧。三角波正弦波变换电路的参数选择：在输入信号的正半周内，应由D1D3组成二极管网络，实现逐段校正。考虑到硅二极管的开启电压为0.5v，所以V1V3应按下列直流电压值设置各二极管的动作电平：若设正弦波在过零点处的斜率相同，即d（VomSin2丌t/T）/dt=Vim/T/4，则有 Vom=2Vim/丌0.64Vim由此可推断出各断点上应校正的电平值：Vim=10v，Vom=Vim2/丌=6.4vVo1=VomSin（2丌/TT/14）=2.78vVo2= VomSin（2丌/TT/7）=5.00vVo1=VomSin（2丌/T3T/14）=6.24vV1=Vo1-0.5=2.28v，V2=Vo2-0.5=4.50v,V3=Vo3-0.5=5.74v（1）在0T/4段内,D1D6均不导通,所以Vo1/T/14=Vim/T/4（2）在T/14T/7段内,仅D1导通,故有（Vo2-Vo1）/T/14=R5/（R4+R5）Vim/4T（3）在T/73T/14内，D1、D2均导通，（Vo3-Vo2）/T/14=（R5R6）/（R4+R5R6）Vim/4T（4）V1V3是通过由跟随器组成的电压源，再经过分压后得到的。因此，为使电压源内阻不影响各个转折电压，分压器的阻值应选的远小于R5和R6，本实验中选择100欧。显然，-V1-V3也是通过另一个负电压源提供的。分析和结果表明，当输入三角波在T/2内设置六个断点，以进行七段校正后，可得到正弦波的非线性失真度大致在1.5以内，符合本课题要求。直流电源参数选择：U1=U/2=（R1+Rp+R2）/2（R2+Rp）（Uz+Ube2）Uz选择5v，Ube2=0.7v，令U1=10v，求得Rp=720欧直流电源变压器系数取11，一般选取滤波电容200300微法。3.3电路性能与误差分析1、方波输出电压可能会小于Ucc，这是因为运放输出级由NPN型与PNP型两种晶体管组成复合互补对称电路，输出方波时，两管轮流截止与导通，由于导通时输出电阻的影响，使方波输出幅度小于电源电压值。2、方波的上升时间t，主要受运算放大器转换速率的限制。如果输出频率较高，可在R3与Rp1两端并接入加速电容C，一般取C为几十皮法。用示波器测量t。3、在产生方波三角波的电路中，由于比较器A1与积分器A2组成正反馈闭电路，同时输出，这两个电路可同时安装。在安装电位器Rp1与Rp2之前，要先将其调整到设计值。4、在三角波正弦波电路中，由于产生正弦波是三角波折线法得到的，输出电压要小于10v，在输出端可以加一个简单的放大装置，以达课题要求。5、调试稳压电源的负载特性，稳压电源的好坏可通过测量空载与满载时输出电压有没有显著变化来鉴定。在空载时将输出电压调整为10v，接上负载，观察输出电压是否下跌，跌幅越小，稳压电源稳压特性越高，如果下跌电压大于1v，要考虑增大C1的容量，加大电源变压器的容量。第4章 设计总结在本文的设计中使用了函数波形发生器，可以产生精度较高的正弦波、方波、矩形波等多种信号，而且具有较高的温度稳定性和频率稳定性。特别适用于