模拟电子方波—正弦波—三角波转换全解

吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 1 页 共 15 页 第 1 章 绪论 1 1 简介 在人们认识自然 改造自然的过程中 经常需要对各种各样的电子信号进行测 量 因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求 灵活 快速的选用不同特 征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题 信号源主要给被测电路提供所需 要的已知信号 各种波形 然后用其它仪表测量感兴趣的参数 可见信号源在各种实 验应用和实验测试处理中 它不是测量仪器 而是根据使用者的要求 作为激励源 仿真各种测试信号 提供给被测电路 以满足测量或各种实际需要 波形发生器就是信号源的一种 能够给被测电路提供所需要的波形 传统的波形 发生器多采用模拟电子技术 由分立元件或模拟集成电路构成 其电路结构复杂 不 能根据实际需要灵活扩展 随着微电子技术的发展 运用单片机技术 通过巧妙的软 件设计和简易的硬件电路 产生数字式的正弦波 方波 三角波 锯齿等幅值可调的 信号 与现有各类型波形发生器比较而言 产生的数字信号干扰小 输出稳定 可靠 性高 特别是操作简单方便 根据用途不同 有产生三种或多种波形的波形发生器 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 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 各 种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示 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 它用于产生被测电路所需特 定参数的电测试信号 在测试 研究或调整电子电路及设备时 为测定电路的一些电 参量 如测量频率响应 噪声系数 为电压表定度等 都要求提供符合所定技术条件 的电信号 以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号 当要求进行系统的稳态 特性测量时 需使用振幅 频率已知的正弦信号源 当测试系统的瞬态特性时 又需 使用前沿时间 脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源 并且要求信号源输出信号的 参数 如频率 波形 输出电压或功率等 能在一定范围内进行精确调整 有很好的 稳定性 有输出指示 信号源可以根据输出波形的不同 划分为正弦波信号发生器 矩形脉冲信号发生器 函数信号发生器和随机信号发生器等四大类 正弦信号是使用 最广泛的测试信号 现在 我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出正弦波 方波 三角波的简易发生器 众所周知 制作函数发生器的电路有很多种 本次设计先通过 RC 正弦波振荡电路 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 2 页 共 15 页 产生正弦波 这是一种频率可调的移相式正弦波发生器电路 其频率稳定一般为实验 所确定 然后可以通过改变电容值来改变再通过电压比较器产生方波 最后通过积分 电路形成三角波 此电路具有良好的正弦波和方波信号 它的制作成本不高 路简单 使用方便 有效的节省了人力 物力资源 信号发生器是电子测量领域中最基本 应用最广泛的一类电子仪器 该函数发生 器要求能输出频率范围可调的正弦波 方波和三角波 能够很好的实现本次试验的目 的 将一些线性和非线性的元件与集成运放组合 输出性能良好的波形 由正弦波 方波 或三角波的发生器产生相应的信号 通过相互转换实现多种波形的输出 正弦波可以 由 RC 正弦波振荡电路产生 之后通过过零比较器可产生方波 再积分可得三角波 通 过调节 RC 振荡电路中的振荡电阻来实现频率可调 通过调节比例运算电路的反馈电 阻来实现幅度可调 最终做成要求的函数发生器 1 2 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 1 3 设计任务 方波 三角波 正弦波函数发生器 输出波形频率范围为 10Hz 10kHz 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 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 3 页 共 15 页 第 2 章 实验方案的设计 2 1 原理框图 图 2 1 原理框图 2 2 正弦波发生电路的工作原理 一 产生正弦振荡的条件 正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波 我们一般在放 大电路中引入正反馈 并创造条件 使其产生稳定可靠的振荡 正弦波产生电路的基 本结构是 引入正反馈的反馈网络和放大电路 其中 接入正反馈是产生振荡的首要 条件 它又被称为相位条件 产生振荡必须满足幅度条件 要保证输出波形为单一频 率的正弦波 必须具有选频特性 同时它还应具有稳幅特性 因此 正弦波产生电路 一般包括 放大电路 反馈网络 选频网络 稳幅电路个部分 二 正弦波振荡电路的组成判断及分类 1 放大电路 保证电路能够有从起振到动态平衡的过程 电路获得一定幅值的 输出值 实现自由控制 2 选频网络 确定电路的振荡频率 是电路产生单一频率的振荡 即保证电路 产生正弦波振荡 3 正反馈网络 引入正反馈 使放大电路的输入信号等于其反馈信号 稳幅环节 也就是非线性环节 作用是输出信号幅值稳定 方波 三角波正弦波 电压比较器 积分电路低通滤波器 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 4 页 共 15 页 三 判断电路是否振荡的方法 1 是否满足相位条件 即电路是否正反馈 只有满足相位条件才可产生振荡 2 放大电路的结构是否合理 有无放大能力 静态工作是否合适 3 是否满足幅度条件 四 正弦波振荡电路检验 1 则不可能振荡 2 振荡 但输出波形明显失真 3 产生振荡 振荡稳定后 此种情况起振容易 振荡稳定 输 出波形的失真小 五 RC 正弦波振荡电路 常见的 RC 正弦波振荡电路是 RC 串并联式正弦波振荡电路 它又被称为文氏桥 正弦波振荡电路 串并联网络在此作为选频和反馈网络 图 2 2 RC 桥式正弦波振荡电路 RC 桥式正弦波振荡电路的构成如图所示 当时 RC 选频网络的 RC 1 wow 相移为零 这样 RC 串并联选频网络送到运算放大器同向输入端的信号电压 Vi 与 输出电压 Vo 同相 所以 RC 反馈网络形成正反馈 满足相位平衡条件 为使在震 荡建立期间信号做增幅震荡 应选择 R1 和 R2 可使 Af 3 保证 因此它 的起振条件为 它的振荡频率为 它主要用于低频振 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 5 页 共 15 页 荡 要想产生更高频率的正弦信号 一般采用 LC 正弦波振荡电路 它的振荡频率 为 此外 石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定 它常用于 振荡频率高度稳定的的场合 RC 文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠两个并联的二极管组成的 当输出信号较 小时 二极管工作电流小 动态电阻大 电路的增益较大 引起增幅震荡过程 当输出幅度达到一定程度 二极管工作电流大 动态电阻小 电路的增益下降 电路的输出电压幅值将不再上升 从而使输出电压稳定 以此来达到稳幅的目的 2 3 正弦波变换成方波的工作原理 一 电压比较器的功能 电压比较器是用来比较两个电压大小的电路 它的输入信号是模拟电压 输出 信号一般是只有高电平和低电平两个稳定状态的电压 利用电压比较器可将各周期 性信号转换成矩形波 二 过零比较器 参考电压为零的比较器称为过零比较器 按输入方式的不同可分为反相输入和 同相输入两种过零比较器 通常用阈值电压和传输特性来描述比较器的工作特性 阈值电压 又称门槛电平 是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值 简称为阈 值 用符号 UTH 表示 图 2 3 过零比较器 本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号 其传输特性曲线如下图 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 6 页 共 15 页 所示 2 4 方波变换成三角波的工作原理 方波经过积分器就变成了三角波 但是此电路要求前后电路的时间常数配合好 不 能让积分器饱和 图 2 4 积分电路原理 Vo Vi 为积分关系 负号表示输入和输出信号相位相反 当 Vi 为定值时 电容 将恒流充电 输出电压为 2 1 当积分器输入信号为方波时 其输出信号为三角波 电路波形图如下 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 7 页 共 15 页 图 2 5 三角波发生器工作波形 图 2 6 积分电路仿真图 2 5 正负 12V 直流稳压电源的设计 直流稳压电源是一种将 220V 工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置 它 需要经过变压 整流 滤波 稳压四个环节才能完成 一 设计原理 直流稳压电源一般由电源变压器 T 整流滤波电路及稳压电路所组成 基本框 图如图所示 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 8 页 共 15 页 图 2 7 直流稳压电源设计框图及波形 二 各部分作用 1 电源变压器 T 作用是将电网 220V 的交流电压变换成整流滤波电路所需要的 交流电压 Ui 2 整流电路 整流电路将交流电压 Ui 变换成脉动的直流电压 再经滤波电路滤 除较大的纹波成分 输出纹波较小的直流电压 U1 3 滤波电路 经整流后的直流输出电压脉动性很大 不能直接使用 为减少其交 流成分 常在整流电路后接滤波电路 滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉动直 流电压中的纹波滤除掉 使其输出平滑的直流电压 这里我们采用接入滤波电容来组 成滤波电路 4 稳压电路 常用的稳压电路有两种形式 一是稳压管稳压电路 二是串联型稳 压电路 二者的工作原理有所不同 稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两端的 电压稍有变化 会引起其电流有较大变化这一特点 通过调节与稳压管串联的限流电 阻上的压降来达到稳定输出电压的目的 三 具体电路设计 在整流电路中我们采用全波整流桥 该电路的整流效果和输出电压波形为单项半 波整流的两倍 在稳压电路中采用 CW7812 和 CW7912 型号的这两个集成稳压器芯片组 成的具有同时输出固定的 12V 12V 电压的稳压电路 该电路对称性好 温度特性也 近似一致 图 2 8 直流稳压电源电路图 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 9 页 共 15 页 四 稳压电源的性能指标及测试方法 稳压电源的技术指标分为两种 一种是特性指标 包括允许输入电压 输出电压 输出电流及输出电压调节范围等 另一种是质量指标 用来衡量输出直流电压的稳定 程度 包括稳压系数 或电压调整率 输出电阻 或电流调整率 纹波电压 纹波 系数 及温度系数 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 10 页 共 15 页 第 3 章 仿真电路及运行结果 3 1 Multisim 简介 Multisim 是美国国家仪器 NI 有限公司推出的以 Windows 为基础的仿真工 具 适用于板级的模拟 数字电路板的设计工作 它包含了电路原理图的图形输入 电 路硬件描述语言输入方式 具有丰富的仿真分析能力 multisim 10 概述 1 通过直观的电路图捕捉环境 轻松设计电路 2 通过交互式 SPICE 仿真 迅速了解电路行为 3 借助高级电路分析 理解基本设计特征 4 通过一个工具链 无缝地集成电路设计和虚拟测试 5 通过改进 整合设计流程 减少建模错误并缩短上市时间 3 2 总波形发生电路 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 11 页 共 15 页 图 3 1 正弦波 方波 三角波函数发生器 该电路分为三部分 第一部分为 RC 桥式正弦振荡电路 其功能是利用 RC 振荡产 生特定频率的正弦波 第二部分为过零电压比较器电路 其功能为将正弦波转成方波 第三部分为积分电路 其功能为利用积分电路将方波转成三角波 此外 在积分电路 之前设置一个电压跟随器 起到隔离作用 使过零电压比较器电路与积分电路不相互 影响 确定电路元器件参数 稳压管的作用是限制和确定方波的幅度 因此方波正负半 周的对称性与稳压管性能有关 因此选用稳压管时 要选择性能好一些的两个管性能 对称的稳压管 最好选用双向稳压管 R3 是稳压管的限流电阻 阻值根据稳压管的电 路确定 Rp1 和 Rp2 给比较器提供门限电平 他们可以决定三角波的幅值 因此 Rp1 和 R2 的值应根据三角波的幅值决定 一般为了使三角波的幅值可调 常用电位器作为 Rp1 Rp2 和电容 C 的值决定三角波的频率 f 一般是 Rp1 和 R2 的值确定后 可以先确 定电容 C 的值 然后由 f R2 4Rp2Rp1C 来确定 R4 的值 Rp2 若采用电位器 则三 角波频率可调 为了减小积分漂移 电容 C 的值尽量取大些 但是 C 值越大漏电也越 大 因此一般 C 不超过 1uF 集成运放的选择用于比较器的运放要求速度应该高些 通过改变反馈网络中的变阻 RP3 的阻值可以改变正弦波的输出波形的幅值 之后 方波的输出波形也随之确定 通过改变变阻 RP4 的阻值可以改变三角波的输出波形的 幅值 3 3 正弦波仿真 在变阻 RP1 RP2 百分比分别为 50 RP3 百分比为 25 示波器输出的波形如下 图所示 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 12 页 共 15 页 图 3 2 正弦波仿真视图 由图可知 T1 的时间为 1 315s 通道 A 为 1 660V T2 的时间为 1 338s 通道 A 为 1 658V 由此可知仿真出的正弦波的幅值为 1 660V 峰 峰值为 3 318V 周期 为 46 154ms 3 4 方波仿真 图 3 3 方波仿真视图 由图可知 T1 的时间为 736 976ms 通道 A 为 6 834V T2 的时间为 760 908ms 吉林建筑大学城建学院电气信息工程系课程设计 第 13 页 共 15 页 通道 A 为 6 812V 由此可知仿真出的正弦波的幅值为 6 812V 峰 峰值为 13 646V 周期为 47 864ms 3 4 三角波仿真 图 3 4 三角波仿真视图 由图知 T1 的时间为 5 516s 通道 A 为 2 554V T2 的时间为 5 180s 通道 A 为 2 513V 由此知仿真出的正弦波的幅值约为 2 554V 峰 峰值为 5 067V 周期为 24 786ms 结论 经过几天的制作我的课题 方波 三角波 正弦波函数发生器已经做了出来 一开始感觉这样的东西挺简单的 只要找到资料就会很容易的制作出来 但当我真正 的操作起来才发现还有好多的问题 如波形的转换 方波转换成三角波 最后再转换 成正弦波 弄了很长时间才弄明白 这次的课题设计还让我体会到了理论与实际相结合的重要性 如果你只注重理论 学习而不去锻炼自己的实践经验 是永远不能把事情做好的 从理论中得出结论 用 实践锻炼自己 这才是重要的 同时这次的设计让我也学到了