基于Multisim的方波、三角波和正弦波发生器

课程 Multisim课程设计课程设计 班级 10电信本电信本2班班 姓名 6 2 2 学号 教师 吕吕 老老 师师 课程设计课程设计 基于基于 Multisim 的方波 三角波和正弦波发生器的方波 三角波和正弦波发生器 一 一 设计目的设计目的 1 掌握电子系统的一般设计方法 2 掌握模拟 IC 器件的应用 3 培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4 掌握常用元器件的识别和测试 5 熟悉常用仪表 了解电路调试的基本方法 二 二 设计要求设计要求 能够同时显示出方波 三角波和正弦波 三 三 设计原理设计原理 函数发生器一般是指能自动产生正弦波 三角波 方波及锯齿波 阶梯波等 电压波形的电路或仪器 根据用途不同 有产生三种或多种波形的函数发生器 使用的器件可以是分立器件 如低频信号函数发生器 S101 全部采用晶体管 也 可以采用集成电路 如单片函数发生器模块 8038 为进一步掌握电路的基本理论 及实验调试技术 本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的 方波 三角波 正弦波函数发生器的设计方法 产生正弦波 方波 三角波的方案有多种 如首先产生正弦波 然后通过整 形电路将正弦波变换成方波 再由积分电路将方波变成三角波 也可以首先产生 三角波 方波 再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等 本课题采用先 产生方波 三角波 再将三角波变换成正弦波的电路设计方法 本课程设计中函数发生器电路组成框图如下所示 由比较器和积分器组成方波 三角波产生电路 比较器输出的方波经积分器 得到三角波 三角波到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 图 1 原理框图 方波发生电路工作原理方波发生电路工作原理 此电路由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成 RC 回路即作为迟滞环节 又作为反 馈网络 通过 RC 冲 放电实现输出状态的自动转换 设某一时刻输出电压 Uo Uz 则 同相输入端电位 Up Ut Uo 通过 R3 对电容 C 正向充电 如图中箭头所示 反相输入端电 位 n 随时间的增长而逐渐增高 当 t 趋于无穷时 Un 趋于 Uz 但是 Un Ut 再稍增大 Uo 从 Uz 跃变为 Uz 与此同时 Up 从 Ut 跃变为 UT 随后 Uo 又通过 R3 对电容反相充 电 如图中虚线箭头所示 Un 随时间逐渐增长而减低 当 T 趋于无穷大时 Un趋于 Uz 但是 一旦 Un Uz 再减小 UO就从 Uz 跃变为 Uz UO从 Ut 跃变为 Ut 电容又开是正 向充电 上述过程周而复始 电路产生了自激振荡 方波方波 三角波转换电路的工作原理三角波转换电路的工作原理 R1 1 2 3 5 4 U1 R2 R3 50 Rp1 R4 50 Rp2 1 2 3 5 4 U2 C1 R17 图 2 方波 三角波转换电路原理 电压比较器 积分电路低通滤波器 若 a 点断开 运算发大器 A1 与 R1 R2 及 R3 RP1 组成电压比较器 C1 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 同相输入端接输入电压 Uia R1 称为平衡电阻 比较器的输出 Uo1 的高电平等于正电源电压 Vcc 低电平等于负电源电压 Vee Vcc Vee 当比较器的 U U 0 时 比较器翻转 输出 Uo1 从高电平跳到低 电平 Vee 或者从低电平 Vee 跳到高电平 Vcc 设 Uo1 Vcc 则 312 231231 0 CCia RRPR UVU RRRPRRRP 将上式整理 得比较器翻转的下门限单位 Uia 为 22 3131 CCCC ia RR UVV RRPRRP 若 Uo1 Vee 则比较器翻转的上门限电位 Uia 为 22 3131 EECC ia RR UVV RRPRRP 比较器的门限宽度 2 31 2 HCC iaia R UUUI RRP 由以上公式可得比较器的电压传输特性 如图 3 71 所示 a 点断开后 运放 A2 与 R4 RP2 C2 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 为 21 422 1 OO UU dt RRP C 时 1OCC UV 2 422422 CCCC O VV Utt RRP CRRP C 时 1OEE UV 2 422422 CCEE O VV Utt RRP CRRP C 可见积分器的输入为方波时 输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波 其波形关系 下图所示 mo p U RR R U 2 13 2 T 13 1242 4 p p RR CRRR T a 点闭合 既比较器与积分器首尾相连 形成闭环电路 则自动产生方波 三角波 三角波 的幅度为 2 2 31 O mCC R UV RRP 方波 三角波的频率 f 为 31 2422 4 RRP f R RRP C 由以上两式可以得到以下结论 1 电位器 RP2 在调整方波 三角波的输出频率时 不会影响输出波形的幅度 若要求输出 频率的范围较宽 可用 C2 改变频率的范围 PR2 实现频率微调 2 方波的输出幅度应等于电源电压 Vcc 三角波的输出幅度应不超过电源电压 Vcc 电位器 RP1 可实现幅度微调 但会影响方波 三角波的频率 三角波三角波 正弦波转换电路的工作原理正弦波转换电路的工作原理 图 3 三角波 正弦波转换电路原理 三角波 正弦波的变换电路主要由差分放大电路来完成 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 可以有效的抑制零点漂移 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 分析表明 传输特性曲线的表达式为 0 22 1 idT CEUU aI IaI e 0 11 1 idT CE UU aI IaI e 式中 1 CE aII 差分放大器的恒定电流 0 I 温度的电压当量 当室温为 25oc 时 UT 26mV T U 如果 Uid 为三角波 设表达式为 4 4 43 4 m id m UT t T U UT t T 0 2 2 T t T tT 式中 Um 三角波的幅度 T 三角