前级放大器实验设计

题目名称波形放大器设计_________________

学生学院_____________________________

专业班级_____________________________________

学号___________________________

学生姓名____________________________________

指导教师_________________________

2023年09月07日

摘要

本次课程设计采用正弦波，方波，三角波的次序，依次生成对应符合规

定日勺波形。正弦波发生模块分为频率控制部分和幅值控制部分。其中频率控制部

分采用RC选频网络进行频率控制，同步借助运算放大潜形成正反馈回路，在电

路内部发生自激振荡，产生基本正弦信号；幅值控制部分由含基本运算放大器的

闭环负反馈系统构成。矩形波发生模块分为占空比控制部分和幅值控制部分。占

空比控制部分借助正弦波发生模块的输出作为输入信号，运用比较器产生方波信

号；幅值调整功能由滑动变阻器完毕。三角波产生电路由运算放大器构成的积分

电路借助方波实现，通过变化积分常数值变化三角波上升下降沿斜率。

在失真度分析方面，由于能力与篇幅的关系，仅阐明下在用仿真软件

Multisim对设计电路进行电气仿真日勺过程中，高频率日勺时候出现三角波失真，

在低频率下三种波形都正常，这样欧I状况下获得对应日勺波形信息比较合理，因此

可以使用AltiwnDesigner进行原理图及PCB绘制。从方案设计、分析，比较确

定方案，考虑添加扩展功能，到确定参数，理论计算分析，以及电路原理图的绘

制，电路板的焊接调试，最终的撰写设计汇报，我们小组各组员一起协商讨论分

工合作，终于圆满地完毕了本次H勺课程设计。

关键词：RC桥式振荡电路运算放大器幅频控制Multisim与Altium

Designer

目录

序言1

一、课程设计的目的和意义.............................................2

二、课程设计的任务...................................................3

2.1课程设计的内容.................................................3

2.2课程设计的规定与数据...........................................3

2.3课程设计应完毕H勺工作...........................................3

2.4课程设计进程安排...............................................4

2.5应搜集的资料及重要参照文献.....................................4

2.6设计任务与技术指标.............................................4

三、电路的设计与原理分析.............................................5

3.1正弦波欧）产生...................................................5

3.1.1文氏电桥电路...............................................5

3.2方波产生电路..................................................9

3.2.1过零比较器.................................................10

3.3三角波产生电路................................................10

3.3.1积分器电路..................................................11

3.4总电路图......................................................11

序言

伴随科技和生产的发展，以模拟电子技术为基础的测控电路发展迅猛，广泛

运用于多种检测控制系统。为培养学生口勺动手能力，更好地将测控电路理论与实

践结合起来，以适应电子技术飞速的发展形势，我们必须通过对本次课程设计的

设计和理解，从而深入提高我们口勺实际动手能力。

波形信号发生器亦称函数信号发生器，作为试验用信号源，是现今多种电子

电路设计试验应用中不可缺乏的仪器设备之一。目前市场上出现的波形发生器多

为纯硬件搭接而成，且波形有限，多为锯齿波、方波、正弦波、三角波等。

信号发生器作为一种常见的电子设备仪器，老式的仪器完全可以由硬件电路搭接

而成。如采用555振荡器产生时正弦波、方波、三角波的电路是可取日勺途径之一，

不用依托单片机。不过这种电路存在波形质量差，控制难度大，调整范围小，电

路复杂和体积大等缺陷。在科学研究及生产实践过程中，如工业过程控制，生物

医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而有硬件电路构成日勺低

频信号其性能难以令人满意，并且由于低频信号用到日勺RC很大；大电阻，大电

容制作上由困难，参数日勺精度难以保证；体积大，漏电，损耗明显更是其致命的

弱点，一旦需求日勺功能增长，则电路日勺复杂程度会大大增长。

1

一、课程设计的目的和意义

课程设计是在校大学生素质教育的重要环节，是理论与实践相结合日勺桥梁和

纽带，是在完毕专业基础课程学习的基础上，让学生熟悉怎样运用电子技术来处

理测量与控制中日勺实际问题，掌握工业生产和科学研究中测量电路日勺设计和各个

功能模块的互相联络及总体连接，学生通过实践规定初步具有测量电路设计、焊

接组装和调试的能力。《测控电路》课程设计是测控电路课程体系的一种重要环

节，是按照《控电路设计与实践》教学大纲规定所进行的重要实践教学内容，是

引导学生把基础理论与实际应用相结合的一种必不可少的中间环节。

通过本次“波形发生器”日勺课程设计，巩固和加深对电子电路基本知识的理解,

理解集成运算放大器在振荡电路方面日勺运用；通过对运算放大器构成日勺比较器、

方波-二角波发生落电路日勺试验研究，熟悉集成运算放大器非线性应用及基本电

路的调试措施。深入巩固所学的理论知识，提高运用所学知识分析和处理实际问

题的能力；提高电路布局、布线及检查和排除故障的能力；培养书写综合试验汇

报的能力。以及学会查寻资料、方案设计、方案匕较，以及单元电路设计计算等

环节，深入提高学生综合运用所学知识欧J能力，提高分析处理实际问题的能力。

锻炼分析、处理电子电路问题日勺实际本领，通过此综合训练，为后来毕业设计打

下一定日勺基础。

2

二、课程设计的任务

1、课程设计的内容

1、设计内容

（1）正弦波产生电路中文氏电桥振荡工作原理分析；

（2）分析正弦波产生电路中变化振荡频率的措施；

（3）计算过零比较器和积分器电路中各元件的参数；

2、电路仿真

根据电路工作原理，选用对应软件实现电路的仿真，并画出电路各点

的信号波形，观测信号波形变化和频率变化。

3、使用Protel绘制电路原理图，布局PCB板，使用热转印或者曝光措施

制作电路板，根据系统原理图及所选择日勺元件及参数，购置对应元器件，完

成电路焊接、调试。

2、课程设计日勺规定与数据

1、完毕波形发生器电路日勺分析与制作；

2、讨论与分析，制作与调试，演示与答辩，提交设计汇报。

3、课程设员应完毕日勺工作

1、电路原理图设计；

2、电路工作原理分析；

3、电路参数计算与分析；

4、电路原理仿真;

5、电路制作、调试;

6、撰写设计汇报；

7、实物演示与答辩。

3

4、课程设计进程安排

序号设计设计各阶段内容地点起止日期

12.09.03

1布置设计安排；讲授设计内容；阐明设计规定待定

±T

试验楼12.09.03

2方案设计、分析与比较

1-412下午

试验楼

3确定方案和电路参数，理论计算、分析与仿真12.09.04

1-412

试验楼

4绘制电路原理图；电路制作、调试；12.09.05

1-412

试验楼

5撰写设计汇报；12.09.06

1-412

试验楼

6实物演示、答辩、成绩评估12.09.07

1-412

5、应搜集的）资料及重要参照文献

1.张国雄等编。测控电路，机械工业出版社，2023.8.

2.赵负图主编，现代传感器集成电路，人民邮电出版社，2023.1.

3.刘征宇主编，线性放大器应用手册，福建科学技术出版社，2023.1.

4.蔡锦福等编，运算放大器原理与应用，科学出版社，2023.7.

5.自编，测控电路设计型试验任务书.

6、设计任务及其指标

任务：用分立元件和集成运算放大器设计并制作能产生正弦波、方波和三角的

波形发生器，并具有一定H勺带负载能力。

指标:输出频率分别为：100H?和10000Hz；输出电压峰峰值VPP210V

发出任务书日期：2023年09月03日指导教师签名：

计划完毕日期：2023年09月07日基层教学单位负责人签章：

主管院长签章：

4

三、电路的设计与原理分析

1、正弦波的产生

正弦波产生电路分为RC正弦波产生电路与LC正弦波产生电路两类。RC正

弦波振荡电路由R、C元件构成选频网络，一般用来产生IHzlMHz范围内低频信

号；LC正弦波振荡电路由L、C元件构成选频网络，一般用来产生1MHz以上的

高频信号。本次课程设计中规定产生100Hz和10kHz的正弦波振荡电路，故采用

RC正弦波振荡电路。为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放

大电路和正反馈网络是振荡电路的最重要部分。不过，这样两部分构成口勺振荡器

一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。假如正反馈量大，则增幅，

输出幅度越来越大，最终由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。反之，

假如正反馈量局限性，则减幅，也许停振，为此振荡电路要有一种稳幅电路。为

了获得单一频率的正弦波输出，应当有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或

放大中路合而为一。选频网络由爪。和八C等电抗性元件构成。正弦波振荡器

的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的构成由四部分构成，分别是放

大电路。

从构造上看，正弦波振荡电路是一种没有输入信号附带选频网络的正反馈放

大电路。振荡电路H勺振荡频率f。是由电路日勺相位平衡条件决定日勺，且只在一种

频率下满足相位平衡条件，这个频率就是f。。这就规定在电路环路中包括一种具

有选频特性的网络，简称选频网络。欲使振荡电路自行建立振荡，需要满足|AF|>1

的条件，在接通电源后，振荡电路就有也许自行起振，或者说可以自激，最终趋

于稳态平衡。

RC正弦波振荡电路有桥式振荡电路，双T网络式和移相式振荡电路等类型,

本次课程设计规定采用文式电桥振荡电路。

1.1文氏电桥电路

文氏桥振荡电路原理图：

5

文氏电桥原理图

文氏桥振荡电路原理分析：文氏桥振荡器又叫RC桥式正弦波振荡器。它H勺

特性是以集成运放为中心，以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入

深度电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作

为放大电路H勺净输入电压。以正反馈量作为放大电路的净输入量，使电路满足相

位平衡条件。

电桥由Zl、Z2构成，同步兼作正反馈网络，称为RC串并联网络。由上图可

知，Zl、Z2和Rf、R3恰好构成一种电桥的四个臂，电桥的对角线顶点接到放大

电路的两个输入端。上图左点画线框所示的网络具有选频作用，它的I频率响应特

性曲线具有明显的峰值。

由上图可得：

1sCsC

R-

Z,=T=-^-

―11+sCR

sC

反馈网络的反馈系数为

匕G)_ZsCR

匕（，）=2(1)

匕(s)Zj+Z21+3sCR+(sCR)

6

就实际的频率而言，可用s=替代，则得

(2)

如令豌=」-，则上式变为

RC

[

gco

由此可RC串并联选频网络H勺幅频响应及相频响应

lFj=i(3)

3?+3690

〈口0①）

和(4)

由上式可知，当

1

CO==------

RC

时，幅频响应日勺幅值最大,即

p=1

Vmax3

而相频响应的相位角为零,即

7

%=0

这就是说，当=时，输--出-电压日勺幅值最大（当输入电压日勺幅值一

°RC

定，而频率可调时），并且输出电压是输入电压H勺%,同步输出电压与输入电压

同相，即有0/=0'和=0'。这样，放大耳路和由4Z构成的反馈网络

刚好形成正反馈系统，满足相位平衡条件，因而有也许振荡。

由于电路中存在噪声，频谱分布很广，其中也包括有。=g=%c这样一

种频率成分。这种微弱日勺信号，通过放大，通过正反馈日勺选频网络，使输出幅度

愈来愈大，最终受电路中的稳压二极管限制，使振荡幅度自动稳定下来，开始时，

AV=1+略不小于3,到达稳定平衡状态时，A、,,=3,耳,=%(©=g=%c)，

从而产生持续的振荡，其输出波形为正弦波，失真很小。

起振时及振荡幅度较小时，/?3上压降局限性于使Q、2导通；当振荡幅度增至

某一值时，两二极管分别在输出电压的正负两个半周轮番导通，并且由于二极管

正向导通的非线性，正向电压越大，正向电阻越小，使振荡器的负反馈深度加深,

使幅度稳定在某一值。

文氏桥振荡电路加上一种同向放大器变形得到如下电路:

1000HZ正弦波产生电路

(文式电桥振荡器)

是为

服

板

管死

区而

和立

了克

二

干振

酊

滨

连

在

负载

的

阻抗

出

器

荡

输

直

R3由

较

会影

中

作

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常

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振

荡器

输出

的

到

大

A2荡

从

整

矗

出端

有

调

出

社

*"“

输A2

.

51hrW2

图中，叫,G构成电桥H勺一种臂，/?2，G构成另一种臂，与四构成电桥

8

的此外两个臂，起稳定振幅的作用，合适调整叱，可以得到波形失真小，且工

作稳定的输出波形。4是为了克服二极管死区而设H勺。分析上图正弦波产生电

路中W2的作用:W2是接在第二级日勺放大器日勺，振荡器日勺输出端输出地信号接在

A2日勺同向端，可调电阻W2是为了变化输出信号日勺增益时，调整振荡器输出信号

的振幅。

2.方波产生电路

反相输入欧I滞回比较器和RC电路构成。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二+Uz,

则同相输入端电位Up=+UT°U。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tH勺增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；

不过，一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同步Up从+Ut跃变为-Ut。

随即，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；不过，一旦Un=-Ut,再减小，I。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。

I

R2

-------------WV-------------------------

10kQ

vcc

R1

O------

10kQ

—

L

t

士

9

2.1过零比较器

理想运放工作在非线性区时具有“虚断用特点，净输入电流为琴即ip=in=O;

但不具有“虚短”的特点，净输入电压（up-un）H勺大小决定于整个电路的输入

电压。并且，输出电压与输入电压不成线性关系，输出电压只有两种也许性：若

up>un,则uo=+Uom；若up<un,则uo=-Uomo当ui通过某一设定值时，输出

将从一种电平跃变到另一种电平。由于输入为模拟量，输出只有高下电平两种状

况，故可产生方波。图4中,将集成运放的一端接“地”，另一端接输入信号,

就构成了过零比较器。

（a）电路（b）电压传幅特性

过零比较器及其电压传检特性

为了限制集成运放的差模输入电压，保护其输入级，可加二极管限幅电路，如右

由于集成运放H勺净输入电压和净输入电流均近似为零，从而保护了输入级;

由于集成运放并没有工作到非线性区，因而在输入电压过零时，其内部H勺晶体管

不需要从截止区逐渐进入饱和区，或从饱和区逐渐进入截止区，因此提高了输出

电压的变化速度。

3、三角波产生电路

•

Ru4

1o

k!：：IVC^V；三；

U4A

VEETL082CI

N47«>k!.5C

VEE

­•Key=A­•

，12V

C3

N4742A

47nF

图5积分电路产生三角波

3・1、积分电路工作原理：

电容具有对输入电流的积分作用，因而将电容引入负反馈回路，可以实现积

分运算。根据运放的“虚断”有uo=-Q/C=-l/C[Jic(t)dt+Qo],Qo为t=0时己储

存日勺电荷，由ic=ii=ui/R,得到Uo(t)=-U,t/RC+UoO,可见，输出uo随时间线性

上升，电容充电，uo下降，电容放电。从而使方波变成三角波。其中，RC称为

积分常数，表明积分作用的人小。RC越人，积分速度越慢，积分作用越弱；RC

越小，积分速度越快，积分作用越强。

4、总电路图

总电路图欧I原理：

先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波(单刀双掷开关打到不一样位置可产

生不一样频率欧I正弦波），再通过过零电压比较落产生方波，最终通过积分电路

形成三角波。

总电路图

四电路仿真调试

1、使用Multisim软件仿真

1・1输出正弦波电路的仿真

输出正弦波电路的I方真:用Multisim1()电路仿真软件进行仿真。从MultisimlO

仿真元件库中调出所需元件，按电路图接好线路，正弦波输出端接一种虚拟日勺示

波器，接通电源后，可得如图8所示日勺输出正弦波仿真图。

12

1.2正弦波一方波电路时仿真

正弦波输出端接过零比较电路，同步在正弦波和方波的输出端接虚拟示波器,

运行后产生仿真图如下

RNC2

231叫.

Re

1OOnF

1Ok!

X=Spaco-IGO；,

Ivctzv

U1A

:FTLO8ZC

TI-O82CD

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Y-y-aQ8VEE

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VEETLoe2co

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-12V

D3C3

1t-44742ATL

47cF

1.3方波一三角波电路的仿真

在过零比较器背面接上积分器，同步在正弦波、方波和三角波的输出端接虚

拟示波器，运行后产生仿真图如下

14

C2

1OOnF

K"-Space160；.VCC

VCt2V

U1A

12V

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R9

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VCC1°k；・

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R810■U3A

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EETLO82COKoy=AVEE

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-12V

10k；.7i；?N4742AC3

47nF

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噌TimeChannel_AChannel_0Channel_CChannelD

360.053ms4.977V10.475V522.022mV

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T2-T10.000s0.003V0.000V0.000VGNDC

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A

1535v

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C

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[7TAC|o|[DC~_JPPr$ing.|Nor.|8to||None二Ext]

五、电子线路设计制作及参数计算

1使用AltiumDesigner软件画出电路

15

2使用AltiumDesigner软件设计PCB板

3电路板的焊接与调试

3.1电路板的正面与背面

电路板正面

16

□□□□

□□□□口□D□

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