多功能锯齿波发生器的设计说明

1、课程设计手册课程名称：模拟电子技术课程设计题目：多功能锯齿波发生器的设计多功能锯齿波发生器的设计一、设计任务及要求(1)在控制开关的作用下，可实现单周期扫描、间歇扫描、连续扫描和停止扫描控制功能(2)具有输出幅度调整、直流偏移调整、扫描周期调整功能；(3) 输出幅度在正负10V范围内可调。线性度优于0.01 %。(4)以集成运算放大器为主要器件。2、方案设计与论证锯齿波发生器是利用相关器件组合产生的电路，其中非常重要的部件之一是集成运放，以及由集成运放组成的迟滞比较器和积分器。集成运放实现的电路结构简单，易于调整。如果在三角波发生电路中，积分电路的充电和放电时间常数有意识地不同，在积分电路的输

2、出端就可以得到锯齿波信号。要实现幅值可调，需要将控制输出电压幅值的相应参数设置为可调参数。器件及单元电路介绍：集成运算放大器、磁滞比较器、积分电路、反比例运算电路、555定时器。3 、单元电路设计及参数计算一、工作原理假设迟滞比较器的输出最初为高电平，并且积分电容器两端的初始电压为零。由于A 1同相输入端的电压U + 同时与U o1和U o有关，根据叠加原理，我们可以得到：(7)那么此时U +也是高电平。但此时积分电路的输出电压U o会随时间呈负向线性增加，U +会相应减小。将跳转到负值。未来，积分电路的输出电压会随时间正向线性增加，U +也会增加。当它增加到 时，迟滞比较器的输出会再次跳变，

3、使U +也跳变。变为正值。再重复上述过程，即可得到迟滞比较器的输出电压为矩形波，由于积分电路的充放电次数不相等，积分电路的输出电压Uo为锯齿波。如图2所示：图2 锯齿波发生电路波形图从上图可以看出，发生跳跃时，锯齿波输出U o达到最大值U om ，发生跳跃的条件为：, 将条件代入式(7)，可得：(8)由此，锯齿波输出的幅度可以求解为： (9)为使幅值可调，由式(9)可知，可以改变参数，所以实际电路中采用滑动变阻器；通过调节滑动变阻器可以改变锯齿波的输出幅度。从而满足设计要求。2.各部分组成电路和元件集成运算放大器图3是集成运算放大器的符号图。 1、2端子为信号输入端子，3、4端子为工作电压端子

4、，5端子为输出端子。在实际应用中，还有调零端子、频率补偿端子、偏置端子等辅助端子。结尾。集成运放的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般有两个输入端和一个输出端。图中标有“+”的为同相输入端，标有“-”的为反相输入端。当信号从同相端输入时，输出信号与输入信号同相，反之亦然。当集成运放工作在线性区时，其输入信号电压与输出信号电压的关系为：(1)公式中是运放的放大倍数，很大，可达几十万倍，这就是运放和差分放大器的差，和集成运放的两个输入端的输入阻抗对地非常高，一般高达几十万欧到几兆欧，所以在实际应用中，集成运放往往被认为是“理想的运放”。理想运算放大器的两个重要规格是：(1) 差模输入阻抗为；(2

5、) 开环差模电压增益 Aod 为。根据这两个指标，当理想运放工作在线性区时，由于其输入阻抗为，所以其两个输入端没有电流，即在图1中，就好像两点断开一样，这这种现象称为“假断”。因为，根据输入和输出的关系： ，认为运放的同相输入和反相输入的电压相等，就好像两点短路一样。这种现象被称为“虚空”。“虚短路”和“虚关”是理想运放工作在线性区域时的两个重要结论，常被用作分析许多运放电路的起点。当理想运放工作在非线性区域时，“虚短路”现象不再存在。图3 集成运算放大器迟滞比较器该迟滞比较器具有电路简单、灵敏度高的优点。在比较电路中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在阈值电平上下波动，输出电压就会在高低电

6、平之间反复跳变，例如在控制系统中。情况，将对执行机构产生不利影响。迟滞比较器克服了单限比较器的这一限制。迟滞比较器也称为施密特触发器，其电路如图2所示。图4 迟滞比较器电路示意图输入电压U i通过电阻加到集成运算放大器的反相输入端，参考电压U ref 通过电阻连接到同相输入端，并通过电阻引回同相输入端。电阻R f 从输出端。电阻器和背靠背电压调节器VD z的作用是将输出电压的幅度限制在U z 。在该电路中，当集成载波的反相输入端和同相输入端的电位相等时，输出端的状态会瞬间跳变。其中，U +由参考电压U ref和输出电压U o 共同决定，U o有两种可能的状态：+U z或-U z 。可以看出，这

7、个比较器有两个不同的阈值电平，所以传递特性是迟滞的，如图 3 所示。图 5. 迟滞比较器的传输特性以下是对该电路的定性分析：利用叠加原理，可以得到同相输入端的电位为： (2)o =+U z原来，当U i逐渐增大时，使U o从+U z 跳转到-U z 所需的阈值电平用U T+ 表示，由上式可知：(3)o = -U z原来，当U i逐渐减小时，使U o从-U z跃迁到+U z 所需的阈值电平用U T- 表示，则：(4)上述两个阈值水平的差值就成为阈值宽度，用符号表示，可以从上面两个公式中得到：(5)可以看出，阈值宽度的值取决于稳压管的稳定电压U z和电阻和的值，而与参考电压U ref无关。也就是说

8、，随着Uref的增加或减少，迟滞比较器的传输特性将平行向右或向左移动，但迟滞曲线的宽度将保持不变。说明磁滞比较器具有很强的抗干扰能力。当输入信号因干扰或噪声而上下波动时，只要根据干扰或噪声适当调整迟滞比较器的两个阈值电平UT +和UT-的值，就可以避免比较器的输出电压。噪音水平。在高低电平之间反复跳跃。积分电路集成电路是一种应用广泛的模拟信号运算电路。它是模拟计算机的基本单元，可以模拟微分方程。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元。利用其充放电过程，可以实现各种波形的延时、定时和产生。电路组成如图6所示。根据理想运放工作在线性区时“虚短路”和“虚断”的特性，可知电路的输出电压U o

9、 与电容两端的电压 U c ，而电路i的输入电压 U 与流过电容的电流 ic 成正比，即 U o和 U i之间的关系是积分运算。图 6 积分器电路由于集成运放的反相输入端为“虚地”，可见输出电压与电容两端的电压成正比。并且由于“虚断”，操作器反相输入端的电流为零，所以输入电压与流过电容的电流成正比。从上面的表达式，我们可以得到：(6)由此可见，当输入电压为矩形波时，可以通过积分转换将输出电压转换为三角波。4、一般原理图及元器件清单1.一般示意图2. 组件清单安装和调试6.性能测试与分析（编写仿真调试与分析）幅度可调锯齿波发生电路包括两部分，一是集成运放组成的磁滞比较器电路，二是集成运放组成的积

10、分电路。其主要元件包括集成运算放大器、电容器、电阻器、可调电位器、二极管和稳压器。积分电路的输出电压接到示波器通道A的一端，可以对电路进行仿真，得到仿真结果。电路中使用了虚拟器件，可能会影响仿真结果。模拟时锯齿波的最大振幅略大于理论值。模拟结果与预期大致相同。集成运放实现的锯齿波发生器电路基本满足要求，555定时器用于间歇扫描，反比例运算电路用于调幅；电路优点：不仅电路简单，器件选择灵活，而且性能更好。电路的缺点：电路引入了深度负反馈，保证集成运放工作在线性区。在线性区，差模输入电压特别小，限制了集成运放输入电压的幅度。如果要获得更大幅度的锯齿波，则不应使用此电路。另外，电路中使用了滑动变阻器，不适合对电路精度有严格要求的场合。生成锯齿幅度可调的锯齿锯齿周期可调可调锯齿形状进行间歇性扫描单脉冲锯齿七、结论与经验集成运放实现的锯齿波发生器电路基本满足要求，555定时器用于间歇扫描，反比例运算电路用于调幅；电路优点：不仅电路简单，器件选择灵活，而且性能更好。电路的缺点：电路引入了深度负反馈，保证集成运放工作在线性区。在线性区，差模输入电压非常小，限制了集成运放输入电压的幅度。如果要获得更大幅度的锯齿波，则不应使用此电路。另外，电路中使用了滑动变阻器，不适合