多种波形发生器的设计与制作

1、课题三多种波形发生器的设计与制作 可进 方波、三角波、脉冲波、锯齿波等非正弦电振荡信号是仪器仪表、电子测量中最常用的 波形，产生这些波形的方法较多。 本课题要求设计的多种波形发生器是一种环形的波形发生 器，方波、三角波、脉冲波、锯齿波互相依存。电路中应用到模拟电路中的积分电路、过零 比较器、直流电平移位电路和锯齿波发生器等典型电路。通过对本课题的设计与制作， 一步熟悉集成运算放大器的应用及电路的调试方法，提高对电子技术的开发应用能力。 1、设计任务 设计并制作一个环形的多种波形发生器，能同时产生方波、三角波、脉冲波和锯齿波, 它们的时序关系及幅值要求如图3-3-1所示。 设计要求： 四种波形的

2、周期及时序关系满足图3-3-1的要求，周期误差不超过 -1%。 四种波形的幅值要求如图3-3-1所示，幅值误差不超过一10%。 只允许采用通用器件，如集成运放，选用F741。 要求完成单元电路的选择及参数设计，系统调试方案的选取及综合调试。 2、设计方案的选择 由给定的四种波形的时序关系看：方波决定三角波，三角波决定脉冲波，脉冲波决定锯 齿波，而锯齿波又决定方波。属于环形多种波形发生器，原理框图可用3-3-2表示。 图3-3-2 多种波形发生器的方框图 仔细研究时序图可以看出，方波的电平突变发生在锯齿波过零时刻，当锯齿波的正程过 零时，方波由高电平跳变为低电平，故方波发生电路可由锯齿波经一个反

3、相型过零比较器来 实现。三角波可由方波通过积分电路来实现，选用一个积分电路来完成。图中的UB电平显 然上移了 +1V,故在积分电路之后应接一个直流电平移位电路，才能获得符合要求的 UB波形。 脉冲波的电平突变发生在三角波UB的过零时刻，三角波由高电平下降至零电位时，脉冲波 由高电平实跳为低电平，故可用一个同相型过零比较器来实现。锯齿波波形仍是脉冲波波形 对时间的积分，只不过正程和逆程积分时常数不同，可利用二极管作为开关，组成一个锯齿 波发生电路。由上，可进一步将图3-3-2的方框图进一步具体化，如图3-3-3所示。 图3-3-3 多种波形发生器实际框图 器件选择，设计要求中规定只能选用通用器件

4、，由于波形均有正、负电平，应选择由正、 负电源供电的集成运放来完成，考虑到重复频率为100Hz(10ms),故选用通用型运放F741 (F007)或四运放F324均可满足要求。本设计选用F741。其管脚排列及功能见附录三之三。 3、单元电路参数设计 (1) 方波产生电路一反相型过零比较器 选择电路如图3-3-4所示。图中，Ai工作于开环，R为运放输入端保护电阻取R=1OK0， F2为稳压二极管的限流电阻，取值一般在(1 3)之间，取Rz=1K。 因UA幅值为二5V，故输出端接两只稳压二极管使输出高、低电平在二5V左右，查晶体 管手册，选用稳压二极管为2CW53( UZ=4.05.8V )两只。

5、必要时可通过晶体管图示仪进行 挑选，以满足幅值要求。 1 Ud oco * R： ICK 3 J * A * IK r -：v 图3-3-4反相型过零比较器电路 (2) 三角波产生电路一基本积分电路 选择电路如图3-3-5所示，图中与 Ci并联的1M电阻主要是为了减小积分漂移，取值 由波形图知，当 图3-3-5 积分电路 ua为高电平5V,经过积分电路在 5ms时间内, U B应下降4V,故参数 计算如下: 由积分电路知： 1T _*UA*J_=U Bm 即 R3C12 得 R3C=6.210s 1 5 0.005=4 w R3C1 取 C=0.1uF ,贝U R3=62500 0 取 R=6

6、2K0 , R4=R=62 KQ U B的波形如图3-3-6 。 将图3-3-6的U b波形与图3-3-1的UB波形比较，为了得到Ub的波形，必须将 U b波 形上移3V,由直流电平移位电路来实现，如图3-3-7所示。 图3-3-7直流电平移位电路 若取Rs=10K, FPi=10K时，A的脚为零电平，调FPi活动端使FPi减小，电平上升。 由于G的隔直作用，只需将脚电平设置在+1V,与U b叠加。As为电压跟随器，UB与脚 波形相同。 由上，取R5=10KC，R-i为10KC电位器，C取10uF。 （4）脉冲波电路设计一同相型过零比较器 选择电路如图3-3-8所示。图中，取 R6=10K，F

7、7=1K，当ub0V,A4的脚输出高电 平，D、D2导通并钳位，若取两只硅二极管串取，可得uc=1.4V。若Lb0时，D导通，Dh截止，忽略二极管导通时的动态电阻，积分时常数为 =R8C3, 形成锯齿波的逆程。 当uc=-5V0时，D3截止，D4导通。积分常数 : R9C3，形成锯齿波的逆程。 电路参数计算： 首先要算出脉冲波高电平和低电平的时间轴，由图3-3-1，Ub由3V下降至0V的时间为 UC高电平的半个周期。这时锯齿波UD由0V积分到-3V，若此时为t1,由相似三角形知识可以 算得t i=3.75ms，同样可以算得 uc由低电平变为高电平的时间t2为6.25ms,uc再次变为低电 平时

8、间为13.75ms,如图3-3-10所示。 图3-3-10 U c时序图 取C3=1uF,则锯齿波正程有: 1 UC (625 - 375)苗=6 即 R9C3 由上及 R9=20.831031 1 3 锯齿波逆程：U( 13.75 - 6.25 ) 10 =6 即 取 R9=20K.1 5 2.510=6 R8C3R8V10 得 R8=17.5 X 10 3 门 取 R8=18K1.1 1 三 1.4 7.5 10=6 由于同时只有一个电阻导通，故Rio=18K0 （或2OK0 ）,为了减小二极管死区电压, D3、D4直流压降要小，故 D3、D4选锗二极管2AP10b 4、总电路图 将各单元

9、电路串联，得到本课题的总电路图如图3-3-11所示。 图3-3-11多种波形发生器总电路图 5、实验与调试 输入方式，应看到周期 10ms幅值为_2V的三角波。若幅值大于或小于_2V,说明设定的 时常数实际值与理论值不符，应该变R3阻值或Ci的电容值，一般采取改变电阻的方式比较 方便。若幅值低于 2V,应减小F3,反之，应加大F3值，直至达到设要求为止。 (3) 直流电平移位电路的安装与调试按图3-3-6安装好移位电路，接通 A?、A3电路 电源，示波器观察U b输出波形正常后通过 C2接入A同相输入端，示波器输入方式改为 DC， 观察A3脚输出波形UB调电位器弘的活动端可以看到 Ub波形电平

10、上移，直至达到 +3V, -1V为止。 (4) 脉冲波发生电路的安装与调试 按图3-3-7电路安装好脉冲波发生电路，通电后输入ub波形，示波器观察 uc端，一般 周期不会明显变化，但幅值肯定存在误差，如正幅值不可能为+14V,但只要D、D?为硅二极 管，误差不应太大。负电平取决于 DZ?的稳压值。若误差过大超出设计要求(- 5.54.5 ) V,应更换稳压二极管，直至达到设计要求。 (5) 锯齿波发生电路的安装与调试 按图3-3-8电路及参数安装无误，接通电源并对A5进行调零。输入应短路A5的脚 而不是uc端，否则输入端实际上是开路。调零后接入uc波形，并确认u b, ub、uc波形没有 变化

11、，示波器接 ud端，仔细观察锯齿波波形，若时序与图3-3-1的ud波形有差异，应精心 调整F8, F9，直至达到对Ud的规范要求。 (6) 方波发生电路的安装与调试 按图3-3-4安装好过零比较器，接通电源后接入Ud波形，示波器观测 Ua波形，并检查 方波的周期和幅值，若幅值与-5V相差较大，应更换 UZ1。 (7) 闭环 将A1的输出UA端接A的输入端，完成环形多种波形发生器的最后连接。切除由函数信 号发生器提供的激励信号，各级应运转输出正常。用示波器逐级测量各波形的周期、幅值。 并记录。分析是否达到设计要求。 本电路的缺点是重新启动不可靠，往往要一个方波信号源从U A端激励一下。但通过本

12、课题的设计，安装和调试，对集成运算放大器的典型应用电路的了解和调试技能的提高有较 大的帮助作用。 6、元器件清单 序号 名称 符号 规格型号 数量 1 电阻 R2、R7 0.125W 1KQ 2 2 电阻 R、矗、金 0.125W 1OK0 3 3 电阻 R8、 R10 0.125W 18KQ 2 4 电阻 R9 0.125W 20KQ 1 5 电阻 R3、FR4 0.125W 62K0 2 6 电阻 0.125W 1MQ 2 7 电容 G、C3 0.1uF 2 8 电容 C2 CA 10uF16V 1 9 电位器 Rw1、Rw、Rm 10K0 3 10 硅二极管 Di、D2 2CP10 2

13、11 锗二极管 D3、D 4 2AP10 2 12 稳压二极管 DZ1、Dz2 2CW53 4 13 集成运算放大器 AA2 F741C（或 F007） 5 7、设计任务 分析本课题的设计内容，并对设计方案进行评价，画出设计方案的方框图。 对各单元电路再进行一次理论设计，包括元器件的选择、电路参数的设计等。 画出总电路图，并说明电路及系统的工作原理。 设计调试方案，选择测量仪器，列出调试步骤。 对图3-3-11电路进行安装与调试， 列出实验数据及工作情况进行分析，是否达到设 计要求。 总结设计电路的特点及方案的优缺点，提出改进的意见。 通过设计报告总结收获和体会。 8、思考题 若将图3-3-2

14、的框图变成开环，即锯齿波输出不控制方波的产生，是否也能实现图 3-3-1的四种波形及时序关系？如果可行，则单元电路如何改动？并比较这两种设计方案的 优缺点。 如何保证三角波、 锯齿波的规定幅值要求，若达不到要求（幅值过大或过小），应采 取何种措施? （1）本系统可采取逐级安装调试方法，待各级调试均正常后再接成闭环形式。原则上 从哪一级开始安排调试均可，但开环时必须由函数信号发生器外加激励信号。研究这四种波 形，只有选用 U作为外加信号，先从三角波发生电路开始最为方便。为了满足各种波形的 时序、周期、幅值要求，每一级调试的工作量均较大。 （2）三角波发生电路的安装与调试 按图3-3-5电路参数安装无误，接通 -12V直流电源，首先对该电路调零，方法是 将ua端接地，万用表直流电压接A的脚到地，调FW1活动端，看uo是否变化。若uo幅值较 大，