3235.方波—三角波发生器的设计与仿真分析

1、 课程设计说明书 no 1方波三角波发生器的设计与仿真分析一、课程设计目的电子技术基础2-1课程设计是学习理论课程之后的实践教学环节。目的是通过解决比较简单的实际问题巩固和加深在电子技术基础2-1（模拟电子技术基础）课程中所学的理论知识和实验技能。训练综合运用学过的电子技术基础知识，在教师指导下完成查找资料，选择、论证方案，设计电路，安装调试，分析结果，撰写报告等工作。通过本课程设计的学习，能初步掌握模拟电子电路设计的一般方法步骤，通过理论联系实际提高和培养分析、解决实际问题的能力和创新能力，为后续课程的学习、毕业设计和毕业后的工作打下一定的基础。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 2二、

2、设计方案论证（一）方波三角波发生电路基本工作原理图1所示的电路是由集成运算放大器组成的一种常见的方波三角波发生电路。图中运算放大器a1与电阻r2、r3等构成滞回特性的比较器以产生方波。运算放大器a2与r、c等构成积分电路以产生三角波，二者形成闭合回路。滞回比较器的输出加在积分电路的反相输入端进行积分，而积分电路的输出又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变。 图1 方波三角波发生电路 1.滞回比较器 在滞回比较器中，当集成运放反相输入端与同相输入端的电位相等，即时，输出端的状态将发生跳变。其中，则有u01及输出电压u0二者共同决定，而u01有两种可能的状态：+uz或-u

3、z。由此可见，使由跳变为，以及由跳变为所需的输入电压值是不同的。也就是说，滞回比较器的门限电压有两个不同的值。在图1中 下图即为滞回比较器的传输特性，呈滞回形状。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 3图2 滞回比较器的传输特性2.积分电路由于集成运放的反相输入端“虚地”，故可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运放反相输入端的电流为零，则,故,即输入电压与流过电容的电流成正比。则 3.方波三角波发生电路假设时,积分电路的初始电压为零，而滞回比较器输出端为高电平，即。因集成运放a1同相输入端的电压u+同时与和有关，根据叠加定理可得,此时,而，故也为高电平.而当时，经反向积分,输出

4、电压将随着时间往负方向线性增长，而u+将随之逐渐减小，当减小至时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使由跳变为，此时u+也将跳变为一个负值。当时，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，u+将随之逐渐增大，当增大至时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，由跳变为。以后重复上述过程，于是滞回比较器的输出电压成为周而复始的矩形波，而积分电路的输出电压也为周期性重复的三角波。如图3所示。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 4 图3 方波三角波发生电路的波形图（二）参数计算1.输出幅度由图3可知，在期间，积分电路的输出电压往正方向线性增长，此时也随着增长，当增长至时，滞回比较器的输出电压发生跳变，而

5、发生跳变时的值即是三角波的最大值。将条件，和代入可得 则三角波的输出幅度是 2.振荡周期由图3可知，在积分电路对进行积分的半个振荡周期内，输出电压由上升至，则对积分电路可列出以下表达式： 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 5即 则三角波的振荡周期为 三角波的输出幅度与稳压管的以及电阻值之比成正比。三角波的振荡周期则与积分电路的时间常数以及电阻值之比成正比。在实际工作中调整三角波的输出幅度和振荡周期时，在值确定之后，应该先调整电阻和，使输出幅度达到规定值，然后再调整和c使振荡周期满足要求。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 6三、设计方案的确定 （一）原理图 图4 方波三角波发生器的原理

6、图 （二）设计的主要参数数据 所示的三角波发生电路中，稳压管的稳压值,电阻,。 （三）设计主要测试点 观察和的波形图，以及查看电压的幅值以及振荡周期的值。 （四）设计电路的模拟软件 multisim 7multisim是加拿大图像交互技术公司（interactive image technoligics简称iit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。可以使用multisim交互式地搭建电路原理 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 7图，并对电路行为进行仿真。mult

7、isim提炼了spice仿真的复杂内容，这样无需懂得深入的spice技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过multisim和虚拟仪器技术，可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。multisim 7计算机仿真与虚拟仪器技术（labview 8）（也是美国ni公司的）可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表，极大地提高了学习热情和积极性。应用multisim 7软件进行仿真教学的操作简单，

8、比如对某一具体电路仿真步骤如下：1、根据原理图放置元器件。2、放置仪器仪表在需要观察的地方。3、连接导线。4、单击仿真开关进行仿真。5、利用仪器仪表观察仿真结果。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 8四、测试方案（一）方波三角波发生器原理图 图5 方波三角波发生器的连接线框图表1 实验设备及用途序号名称主要用途1a741集成运放电路元件2xsc1示波器观察、测量波形3电阻、电容、电位计电路元件（二）步骤1.选用测试用的工具，如电阻、稳压管等，按照原理图进行连接电路。2.双击每个元件，对元件进行赋值及设置元件参数。3.在对设计的方波三角波发生器检查无误后，使用multisim7仿真软件进行仿

9、真。4.双击xsc1示波器观察uo1及u0的输出波形及幅值、周期。5.仿真结束后，单击工具栏中的“仿真”，选择“分析”中的“瞬态分析”对其进行仿真。 6.根据所显示的数据，进行计算，将其与理论值比较，进行误差分析。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 9五、测试验证结果（一）用multisim 7对电路进行波形仿真检查电路无误后，首先点击工具栏中的“显示记录仪”，再点击工具栏中的“运行/停止分析”，察看所显示的波形。当运行到适当的时刻时，停止运行。点击xsc1示波器，可显示模拟仿真波形图。图6 模拟仿真波形图由图6可知，其方波三角波发生器的测量值如下：方波 u01 三角波 u0 因 则 周期

10、 t 得 理论值：方波 u01 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 10三角波 u0 周期 t 点击工具栏中的“显示记录仪”，即为三角波发生电路的波形图：图7 方波三角波发生电路波形图（二）用multisim 7对电路的瞬态进行仿真 单击工具栏中的“仿真”，选择“分析”中的“瞬态分析”，进入“瞬态分析”对话框。对其对话框进行设置。在“分析参数”中，将“初始条件”改为“用户定义”，起始时间和终止时间设为0.004549s和0.007715s。在“输出变量”中选择结点2、结点4，单击“仿真”即可。下图即为在0.004549s至0.007715s时间的瞬态波形图。 沈 阳 大 学 课程设计说明书

11、no 11图8 方波三角波发生器的瞬态分析 由图8可知，测量值与理论值之间存在误差。三角波输出的幅值并未与方波的跳变相对应。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 12六、误差分析 将测量值与理论值比较表2 测量值与理论值比较测量值理论值二者之间存在误差。 造成这些误差主要有以下几点：（一）电路图元件选值不合理由三角波的输出幅度和振荡周期公式得 三角波的输出幅度与稳压管的以及电阻值之比成正比。三角波的振荡周期则与积分电路的时间常数以及电阻值之比成正比。当的选择不当，则影响其输出值。因此，改变的比值，可改变振荡周期及输出电压的幅度。由于采用运放组成的积分电路，若实现恒流充电，可使三角波线性大大改

12、善。所以，在实际工作中调整三角波的输出幅度和振荡周期时，在值确定之后，应该先调整电阻和，使输出幅度达到规定值，然后再调整和c使振荡周期满足要求。（二）选择点的影响由于振荡周期短，变化比较快，因此，选择点的不同，得出的测量结果也不同。（三）软件问题由于multisim7面市比较早，软件可能存在缺点，比如对仿真效果的影响等，都有可能对整个测量的数据有一定的影响。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 13七、心得体会经过一星期的课程设计，学会许多东西。比如，运用“程序”中的“画图”工具，学会怎么处理复杂图的绘制及修改等；word文档中一些隐蔽的功能等；同时，学会了一种新的仿真软件。更重要的是，对模

13、拟电子技术基础简明教程中的知识有更深刻的理解。本次课程设计的题目是针对方波三角波发生器进行仿真与分析。在对其工作原理理解后，了解输出电压及振荡周期的基本公式后，根据课程设计的要求对其各个电阻及电容等元件进行赋值，再利用multisim7软件进行仿真。由于multisim7软件不够完善，以及所设的参数值存在问题等，因此，仿真效果不是很理想，测量值与理论值有一定的误差。但是，在众多问题出现时，又能更好的对方波三角波发生器的知识有了进一步的了解以及如何运用multisim7软件解决问题，学会如何分析问题、解决问题。总之，本次课程设计在老师的带领、同学间的帮助及自身努力下，完成了查找资料，选择论证方案，设计电路，安装调试，分析结果，撰写报告等工作。通过理论联系实际，提高自身分析、解决问题的能力，为后续的学习打好基础。 沈 阳 大 学 课程设计说明书 no 15八、参考文献1. 童诗白、华成英. 模拟电子技术基础第三版m.高等教育出版社，20012. 康华光. 电子技术基础（模拟部分）第四版m.高等教育出版社，19993. 朱定华、吴建新、饶志强. 模拟电子技术m.清华大学出版社，20054. 高吉祥. 模拟电子技术m. 电子工业出版社，20045. 高吉祥. 电子技术基础实验与课程设计m.电子工业出版社，2