正弦波-方波-三角波函数转换器的设计

模拟电路课程设计报告 设计课题 设计制作一个产生正弦波 方波 三角波函数转换器 专业班级 10 电气本 学生姓名 学 号 100805036 指导教师 设计时间 2011 12 20 正弦波正弦波 方波方波 三角波函数转换器的设计三角波函数转换器的设计 一 设计任务与要求 输出波形频率范围为 0 2KHz 20kHz 且连续可调 正弦波幅值为 2V 方波幅值为 2V 三角波峰 峰值为 2V 占空比可调 分别用三个发光二极管显示三种波形输出 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源 12V 二 方案设计与论证 波形产生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件后的所要求的波形信 号输出 波形产生电路的关键部分是振荡器 而设计振荡器电路的关键是选择 有源器件 确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等 具体设计可参考以 下方案 方案一 文氏桥式振荡器 RC 串 并联正弦波振荡器 产生正弦波输出 其 主要特点是采用 RC 串 并联网络作为选频和反馈网络 其振荡频率 f0 1 2 RC 改变 RC 的数值 可得到不同频率的正弦波信号输出 用集成 运放构成电压比较器 将正弦波信号变换成方波信号输出 用运放构成积分电 路 将方波信号变换成三角波信号输出 该电路的优点是 发生信号的非线性 失真小 缺点是 调试过程烦琐 所需元器件多 制作难度大 成本较高 方框图 文氏桥振 荡器 方波形成 电路 三角波形 成电路 方案二 用 uA741 构成信号发生电路 把正弦波信号转换成方波信号再转 变成三角波信号 该电路调试过程较简单 容易实现波形的转换 制作简单 三 单元电路设计与参数计算 1 1 直流电源直流电源 直流电源由电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压电路四部分构成 1 稳压电源的组成框图 交流 电源 2 电路图 图 1 3 整流 滤波电路 用四个整流二极管组成单相桥式整流电路 将交流电压 2变成脉动的直流 电压 为了减小电压的脉动 再经滤波电容 C1滤除纹波 输出直流电压 Ui UI 1 2U2 为了获得较好的滤波效果 在实际电路中 应选择滤波电容的容量满足 RLC 3 5 T 2 的条件 两个二极管分别与 LM7812 和 LM7912 反向并联 取到保 变 压 整 流 滤 波 稳 压 负 载 护电路的作用 同时在后面有两个发光二极管监视电路 4 稳压电路 稳压电路中用三端固定稳压器组成固定电压输出电路 用 为抗干扰电容 用以旁路在输入导线过长时窜入的高频干扰脉冲 i 是用来改善输出瞬变特 性和防止电路产生自激振荡 所接的二极管对稳压器起保护作用 防止输入端 短路时 2 上电荷对稳压器内部放电使内部输出管击穿而损坏 三端固定式集成稳压器构成稳压电路时要求输入电压 i 不能过低 i U0 3V 根据输出电压 电流选用三端集成稳压器及输入电压 2 2 信号发生部分 信号发生部分 1 正弦波部分 用文氏桥电路 电路由放大电路 选频网络 正反馈网络和稳幅环节四个部 分组成 U1 741 3 2 4 7 6 51 R3 500 C1 100nF D1 1N1202C D2 1N1202C C2 100nF R1 20k Key A 5 R2 50k Key A 5 R4 10k Key A 10 3 16 17 5 XSC1 A B Ext Trig 13 0 图 2 放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对 选频特性的影响 使振荡频率几乎仅决定于选频网络 因此通常选用引入电压 串联负反馈的放大电路 正反馈网络的反馈电压 Uf是同相比例运算电路的输入电压 因而要把同相 比例运算电路作为整体看成电路放大电路 它的比例系数是电压放大倍数 根 据起振条件和幅值平衡条件有 Rf2R1 3 1 1 R Rf up uo Au 1 1 RRf RfR R 且振荡产生正弦波频率 Rc f 2 1 0 正弦波电路参数设计 由于 RC 桥式振荡的振荡频率是由 RC 网络决定的 因此选择 RC 的值时 应把已知的振荡频率作为主要依据 同时 为了使选频网 络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响 选择 R 时还应考虑 R 应该远 远大于集成远放的输出电阻 并且要远远小于集成远放的输入电阻 根据已知 条件 由 fo 1 2 RC 可以计算电容的值 实际应用时要选择稳定性好的电 阻和电容 R1 和 Rf 的值可以由起振条件来确定 通常取 Rf 2 1R1 这样可以 保证起振又不会使输出波形严重失真 因为 0 2KHz 20KHz 得R 又因 Rf2R1 取 Rc f 2 1 0 9 7 K9 7 Rf 2 1R1 可得 R1 设计 R 要考虑失调电流及其漂移影响 1 1 RRf RfR R 1 2 1 3 Rf 1 应该取 R R1 Rf 综合上述两个条件可以算出 R1 的值为 11 7 11 7K 则 Rf 应为 24 49 24 49K 实际应用时应当调节这两个电阻的值使其满足要求 正弦波 方波转换部分 U2 741 3 2 4 7 6 51 R8 1k D3 02DZ4 7 D4 02DZ4 7 R11 2k XSC2 A B Ext Trig R10 2k 4 R12 100k R13 1k 18 8 11 0 19 2 图 3 正弦波到方波的转换采用的是滞回比较器 从集成运放输出端的限幅电路 可以知道 U0 R13 R11 R13 Uz 由幅值要求是 2V 所以选 Uz 6 2 的稳压管 如果选 R13 为 1 K 则 R13 R11 的值约为 3 K 3 方波 三角波转换部分 R7 1k U3 741 3 2 4 7 6 51 R9 10k C3 100nF 6 XSC1 A B Ext Trig 1 0 R5 2k 9 图 4 此电路由反相输入的过零比较器和 RC 电路组成 RC 回路既作为延迟环节 又作为反馈网络 通过 RC 充 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 实线箭头所示 反相输入端电位 n 随时间 t 的增长而逐渐增高 当 t 趋于无穷 时 Un 趋于 Uz 但是 一旦 Un 0 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 C 反向充电 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 0 Uo 就从 Uz 跃变为 Uz Up 从 Ut 跃变为 Ut 电容又开始正相充电 上述过程周 而复始 电路产生了自激振荡 UT R2 R6 RW U02m T 2R6 R6 RW C3 R7 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 R6 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 由以上公式可得比较器的电压传输特性 当输入信号为方波 Uo1 则积分器的输出 Uo3 为 21 422 1 OO UU dt RRP 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不相等的占 空比可调的锯齿波 经计算 如果选 R6 1k 则 R7 10K C 100nF 三角波图与方波图如下 四 总原理图及元器件清单 1 总原理图 U1 741 3 2 4 7 6 51 R3 500 C1 100nF D1 1N1202C D2 1N1202C C2 100nF U2 741 3 2 4 7 6 51 R6 2k R7 1k R8 1k D3 02DZ4 7 D4 02DZ4 7 U3 741 3 2 4 7 6 51 R9 10k R11 2k C3 100nF 6 V1 12 V V2 12 V XSC2 A B Ext Trig XSC3 A B Ext Trig 10 R1 20k Key A 50 R2 50k Key A 50 R4 10k Key A 50 3 16 17 5 R10 2k 4 R12 100k 2 R13 1k 18 8 11 91 7 19 0 XSC1 A B Ext Trig 13 0 图 5 2 元件清单 元件序 号 型号主要参数数量备注 A A7413 R10K 1 R2K 1 R1K 3 R10K 5 可调 R50K 2 可调 双联通 滑阻器 50K 1 可调 稳压管 6 2V2 R100K 2 可调 DIN400710 发光二 极管 2 C3300 F2 C220 F2 C0 22 F2 C0 1 F5 三端稳 压管 LM7812CT LM7912CT 各一 个 五 安装与调试 对直流稳压电源测试其变压器的原副边电压 整流 滤波电压 稳压管输 入输出电压 如果测试值在误差范围内 说明满足设计要求 一 静态调试 用万用表对电路板进行静态测试 目的主要是为了防止虚焊或者漏焊 静态调试没有问题之后方可以到实验室进行动态测试 主要测试参数有正 弦波的幅值 输出波形频率范围 再对方波 三角波电路的静态工作点进行测试 即方波的幅值 然后对电 路进行动态测试 主要是测试方波的振荡频率的调节范围 注意用示波器测量 幅值必须把所有的微调都调到顺时针顶端 在测量数之前必须把波形先调好 只有在波形不失真的情况下才能测量参数 否则所测数据没有任何意义 二 动态调试 1 正弦波产生电路的安装与调试 1 把 UA741 集成块插入面包板 注意布局 焊点焊接 2 分别把各电阻放入适当位置 尤其注意电位器 稳压管的接法 3 按图接线 注意直流源的正负及接地端 4 频率的调节 固定电容 C 不变 改变 RC 振荡电路中 R 的值 在三角 波幅值符合要求时 输出波形频率发生改变 测量频率变化范围 2 方波发生电路的安装与调试 安装方波产生电路 把 UA741 集成块插入面包板 注意布局 1 分别把各电阻放入适当位置 尤其注意电位器的接法 2 按图接线 注意直流源的正负及接地端 调试方波产生电路 1 接入电源后 用示波器进行观察 2 调节 R9 使方波的幅值满足指标要求 3 观察示波器 各指标达到要求后进行下一部安装 3 三角波发生电路的安装与调试 1 调试方法与方波相同 2 占空比调节 改变 RW变中心滑头 就可以实现占空比可调 六 性能测试与分析 1 正弦波发生部分的仿真电路图 2 方波发生部分的仿真电路图 3 三角波发生部分的仿真电路图 4 数据处理和误差计算 1 直流电压源 变压器的副边输出电压为 15 6V 理论 U 15V 1 15 6 15 15 100 4 整流滤波电压稳压管的输入电压均为 20 5V 理论 U 20V 误差 2 20 5 20 20 100 2 5 稳压管输出电压 UO1 12V UO2 11 9V 理论 UO1 12V UO2 12V 误差 3 12 12 12 100 0 4 12 11 9 12 100 0 833 2 波形产生 输出波形频率范围为 190Hz 20 51KHz 且连续可调 正弦波幅值为 2 3 方波幅值为 2 1 三角波峰 峰值为 1 8 占空比可调 3 误差分析 参数设计不够精确 所选可调电阻的调节范围太大 调节不够精确 调试没能很精确 产生的波形还有细微的失真现象 记录数据时 读数 不精确导致误差产生 选用的实验元件存在系统偏差 选用的实验元件受温度的影响 实验时间过长导致的误差产生 4 改进该实验 减少实验误差的方法 选取精确度较高的实验器件 在选择可变电阻时要考虑到其要调节的范围 尽可能的选用与要用最大限度接近的可调电阻 在振荡电路中可调电阻最好用 双滑式可调电阻 在调试过程中要尽可能的把波形调节到不失真 调节频率时用同轴电位器 这样不仅避免了调节困难 还能使调节的精确度更高 七 结论与心得 通过该实验 我对 RC 振荡电路 滞回比较器 反向积分运算电路有了更 进一步的了解 将课本上所学的抽象的理论知识运用于实验中 并加强了我的 动手能力 让我了解最深的是 对方波产生电路 如果用单限比较器 输入电压在阈 值电压附近的任何微小变化 都将引起输出电压的变化 即其抗干扰能力差 所以我选择用滞回比较器 由于所买稳压管电阻为 6 2V 而不是 2V 所以方波幅值满足不了 我在 方波的输出端引一条线串联一个可调电阻和一个固定电阻 通过调节可调电阻 这样可以很好的使输出端电压幅值满足要求 在今后的实验中严格要求自己 并学好的理论知识 八 参考文献 1 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2 电子线路设计 实验 测试 谢自美主编 3 毕满清编 电子技术实验与课程设计 机械工业大学出版社 4 电子技术课程设计指导 湖南大学 彭介华主编 高等教育出版社 物理与电子信息学院模拟电路课程设计模拟电路课程设计成绩评定表 专业专业 电气技术教育 班级班级 10 电气本 学号 100805036 姓名 朱俊 飞 课题名称设计制作一个产生正弦波 方波 三角波函数转换器 设计制作一个产生正弦波 方波 三角波函数转换器 设 计 任 务 与 要 求 输出波形频率范围为 0 2KHz 20kHz 且连续可调 正弦波幅值为 2V 方波幅值为 2V 三角波峰 峰值为 2V 占空比可调 分别用三个发光二极管显示三种波形输出 用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源 12V 设 计 报 告 成 绩 评分标准 评分标准 有合理的方案设计和论证 电路参数的计算 总原理