波形發(fā)生器課程設(shè)計報告

1、<p>　　模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計報告</p><p>　　題 目： 波形發(fā)生器電路設(shè)計</p><p>　　專 業(yè)： 通 信 工 程</p><p>　　班 級： 09通 信（二）班</p><p>　　姓 名： </p><

2、p>　　指導教師： </p><p><b>　　電氣工程系</b></p><p>　　2011年5月26日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　波形發(fā)生器（或函數(shù)信號發(fā)生器）一般是指能自動產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等電壓波形的電路，電路形式可以

3、采用由運放及分離元件構(gòu)成；也可以采用單片集成函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，本課題介紹產(chǎn)生方波、三角波、正弦波波形的波形發(fā)生器設(shè)計方法。</p><p>　　本波形發(fā)生器能自動產(chǎn)生正弦波，三角波，方波電壓波形，其電路中使用的器件由集成運算放大器與晶體管差分放大器等元件組成。產(chǎn)生方波、正弦波、三角波的方案有多種，如先產(chǎn)生正弦波，根據(jù)周期性的非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數(shù)關(guān)系，再通過

4、運算電路將正弦波轉(zhuǎn)化為方波，經(jīng)過積分電路后將其變?yōu)槿遣?。也可以先產(chǎn)生三角波-方波，再將三角波或方波轉(zhuǎn)化為正弦波。</p><p>　　本設(shè)計采用先產(chǎn)生方波，三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計方法，利用集成運放構(gòu)成的比較器和電容的充放電，可以實現(xiàn)集成運放的周期性翻轉(zhuǎn)，進而在輸出端產(chǎn)生一個方波。再通過積分器產(chǎn)生三角波，最后通過正弦波轉(zhuǎn)換電路形成正弦波。</p><p><b>

5、;　　目錄</b></p><p>　　一、課程設(shè)計任務書………………………………………………….………..1</p><p>　　二、正文………………………………………………………………….……..2</p><p>　　第一章 設(shè)計背景…………………………………………………………….…2</p><p>　　第二章 設(shè)計要求及

6、選材…………………………..…………………….……..5</p><p>　　2.1 設(shè)計要求……………………………………………………………….5</p><p>　　2.2選材……………………………………………………………………..5</p><p>　　2.1.1 運算放大器………………………………...…………………..5</p><p&g

7、t;　　2.1.2 穩(wěn)壓管………………………………………………………….5</p><p>　　第三章 系統(tǒng)的組成及工作原理……………………………………….………7</p><p>　　3.1系統(tǒng)工作原理…………………………………………….……….…....7</p><p>　　3.2 系統(tǒng)組成………………………………….…………………………....7</p

8、><p>　　3.2.1 方波發(fā)生電路……………………...………………...……………..7</p><p>　　3.2.2 方波三角波轉(zhuǎn)化電路…………...…………………...……………..8</p><p>　　3.2.3 三角波正弦波轉(zhuǎn)化電路…………...………………...…………….12</p><p>　　第四章 電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置…

9、………………………………..……………..14</p><p>　　第五章 設(shè)計總結(jié)……………………………………………………………....17</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………………..18</p><p>　　課 程 設(shè) 計 任 務 書</p><p>　　設(shè)計名稱： 波形發(fā)生器電路設(shè)計

10、 </p><p><b>　　正文</b></p><p><b>　　第一章 設(shè)計背景</b></p><p>　　波形發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應用最為廣泛的通用儀器之一。在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子

11、元件、部件以及整機設(shè)備時，都學要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最基本、應用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用于通信、雷達、導航等領(lǐng)域。</p><p>　　第二章 設(shè)計要求及選材</p><p><b&

12、gt;　　2.1設(shè)計要求</b></p><p>　　要求所設(shè)計的函數(shù)信號發(fā)生器能產(chǎn)生方波、三角波、正弦波；</p><p>　　要求該函數(shù)信號發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)頻率可調(diào) ；</p><p>　　函數(shù)發(fā)生器以集成運放及分立元件為核心進行設(shè)計。</p><p><b>　　2.2選材</b></p>

13、<p>　　主要材料： 集成運算放大電路、電容、穩(wěn)壓管、電阻。</p><p>　　2.2.1集成運算放大電路</p><p>　　集成運算放大電路簡稱集成運放，是具有高放大倍數(shù)的集成電路。它的內(nèi)部是直接耦合的多級放大器，整個電路可分為輸入級、中間級、輸出級三部分。輸入級采用差分放大電路以消除零點漂移和抑制干擾；中間級一般采用共發(fā)射極電路，以獲得足夠高的電壓增益；輸出級一般采用互

14、補對稱功放電路，以輸出足夠大的電壓和電流，其輸出電阻小，負載能力強。</p><p>　　電路符號及器件圖形如圖1。</p><p>　　圖1.a.集成運放電路符號</p><p>　　圖1.b.常見集成運放器件</p><p>　　本設(shè)計中為減少成本及設(shè)計需要采用LM324四路差分輸入運算放大器，　LM324系列器件為價格便宜的帶有真差動輸

15、入的四運算放大器。與單電源應用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流為MC1741的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負電源，因而消除了在許多應用場合中采用外部偏置元件的必要性。每一組運算放大器可用圖1.a所示的符號來表示，它有3個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端， 另一端為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該

16、輸入端的位相反；Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列及實物圖形見圖2。 </p><p>　　圖2.a. LM324的引腳排列圖 圖2.b. LM324芯片實物圖 圖2.c. 穩(wěn)壓管</p><p><b>　　2.2.2 穩(wěn)壓管</b></p><p>　　穩(wěn)壓二極管(又叫齊納二

17、極管)是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管，簡稱穩(wěn)壓管。此二極管是一種直到臨界反向擊穿電壓前都具有很高電阻的半導體器件。穩(wěn)壓管在反向擊穿時，在一定的電流范圍內(nèi)（或者說在一定功率損耗范圍內(nèi)），端電壓幾乎不變，表現(xiàn)出穩(wěn)壓特性，可用于本設(shè)計的限幅電路之中，元件如圖2.c。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)的組成及工作原理</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)工作原理</b&g

18、t;</p><p>　　本設(shè)計原理框圖如圖3所示，先通過集成運放構(gòu)成的比較器和電容的充放電來產(chǎn)生方波信號，再將方波電壓作為積分運算電路的輸入，在其輸出就得到三角波電壓，當方波發(fā)生電路的輸出電壓為高電平時，積分運算電路的輸出uo將現(xiàn)線性下降；將方波發(fā)生電路的輸出電壓為低電平時，uo將線性上升。再將三角波信號通過正弦波轉(zhuǎn)換即可得到正弦波信號。通過各模塊輸出端可分別提取到方波，三角波，正弦波波形信號。</p&g

19、t;<p>　　圖3. 系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　3.2 系統(tǒng)組成電路結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.2.1 方波發(fā)生電路</p><p>　　本設(shè)計利用集成運放及分離元件構(gòu)成的比較器和電容的充放電，實現(xiàn)集成運放的周期性翻轉(zhuǎn)，進而在輸出端產(chǎn)生一個方波信號，因為方波信號只有兩種狀態(tài)，不是高電平就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產(chǎn)生振

20、蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動的相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；以為輸出狀態(tài)按一定的時間間隔交替變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時間。圖4所示為方波發(fā)生電路，它由反響輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既做延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋回路，通過RC充放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換，輸出端的穩(wěn)壓管D和電阻R3構(gòu)成限幅電路限制輸出電流及輸出電壓幅度。</p><p><b>　　圖4.方波發(fā)生電路

21、</b></p><p>　　3.2.2 方波-三角波轉(zhuǎn)化電路（積分電路）</p><p>　　3.2.2.1 基本電路</p><p>　　將方波電壓作為積分運算電路的輸入ui，當方波發(fā)生電路的輸出電壓為高電平時，積分運算電路的輸出uo將線性下降；將方波發(fā)生電路的輸出電壓為低電平時，uo將線性上升。即在其輸出uo就得到三角波電壓，電路圖如圖5。<

22、/p><p><b>　　圖5.積分電路</b></p><p>　　3.2.2.2 電路改進</p><p>　　由于圖4，圖5所示電路中存在RC電路和積分電路兩個延遲環(huán)節(jié)，在實際電路中，可將它們“合二為一”，即去掉方波發(fā)生電路中的RC回路，使積分運算電路即做延遲環(huán)節(jié)，又作為方波變?nèi)遣娐?，滯回比較器和積分運算電路的輸出互為另一個電路的輸入，圖

23、4的RC回路充電方向與后者積分電路積分方向相反，故為滿足極性需要，滯回比較器改為同相輸入，電路如圖6。</p><p>　　圖6.頻率可調(diào)方波三角波發(fā)生電路</p><p>　　此外，為達到頻率可調(diào)，可在第二個放大電路反相輸入端加可變電阻Rw。</p><p>　　根據(jù)上圖可以看出在t=0時，比較器輸出電壓為高電平，電容兩端的電壓為零，即略低于，，則積分電路輸出電壓

24、。此時電容被充電，顯然于是線性下降，也下降，直到時，略低于，即略低于零時，從突跳到，同時也跳變到更低的值（比零低的多）?？梢?，在前的一瞬間，，，而從流過和的電流相等，則，</p><p><b>　　故</b></p><p>　　后，由于，故電容放電，其兩端電壓</p><p>　　因 </p>

25、<p>　　故 </p><p>　　于是線性上升，也上升。直到時，略大于零，從突跳到。可見，在前的一瞬間，，，則，</p><p>　　故 </p><p>　　在以后電路周而復始，循環(huán)不以，形成振蕩。</p><p>　　則根據(jù)分析可以畫出和的波形，如圖7所示

26、。</p><p>　　圖7.方波三角波波形</p><p>　　其中為方波，為三角波。之所以為三角波，是由于電容充放電的時間常數(shù)相等，積分電路輸出電壓上升和下降的幅度和時間相等，上升和下降的斜率的絕對值也相等。顯然，三角波峰值為：</p><p>　　下面求振蕩周期。由于，而當時，有</p><p>　　則

27、 </p><p>　　故 </p><p>　　則可以在調(diào)整三角波電路時，應先調(diào)整或,使其峰值達到所需要的值，然后再調(diào)整或C，使頻率能滿足要求。</p><p>　　此外，若為實現(xiàn)幅度可調(diào)，及頻率的粗調(diào)及細調(diào)功能，可將圖6的R2電阻及電容C改成可調(diào)電阻及可調(diào)電容，電路圖如圖8。</p><p>　　圖8.

28、幅度及頻率可調(diào)方波三角波發(fā)生電路</p><p>　　3.2.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)化電路（折線法）</p><p>　　3.2.3.1 實現(xiàn)原理</p><p>　　根據(jù)正弦波與三角波的差別，將三角波分成若干段，按不同的比例衰減，就可以得到近似于正弦波的折線化波形，如圖9所示。</p><p>　　圖9. 用折線近似正弦波的示意圖</p&

29、gt;<p>　　3.2.3.2 實現(xiàn)方法</p><p>　　根據(jù)上述思路，應采用比例系數(shù)可以自動調(diào)節(jié)的運算電路。利用二極管和電阻構(gòu)成反饋通路的反相比例運算電路，可以隨著輸入電壓的數(shù)值不同而改變電路的比例系數(shù)，如圖10所示。</p><p>　　圖10. 三角波變正弦波電路</p><p>　　3.2.3.3 工作原理</p><

30、p>　　由于反饋通路中有電阻Rf，因此不管電路中二極管出于何種工作狀態(tài)，總是存在一條負反饋通路，故集成運放的反相輸入端和同相輸入端為虛地，uN＝uP＝0V。選擇R=Rf。</p><p>　?。?）當uI＝0V時，uO＝0V；由于uN＝0V，在＋VCC和－VCC的作用下，所有二極管均截止；電阻阻值的選擇應保證u1<u2<u3，u’1<u’2<u’3。</p><p

31、>　?。?）當uI從零逐漸降低且│uI│<0.3Um時（Um為uI的峰值），uO從零逐漸升高，從而u1、u2、u3、u’1、u’2、u’3也隨之逐漸升高，由于uN＝0V，因此二極管D’1、D’2、D’3承受反壓截止，雖然D1、D2、D3正偏，但u1、u2、u3不足以使他們導通。因此各二極管仍處于截止狀態(tài)，uO＝－（Rf/R）·uI=－uI ，比例系數(shù)的值|k|=|uO/uI|=1。</p><p

32、>　　（3）當uI繼續(xù)降低且0.3Um≤│uI│＜0.56Um時，D1首先導通，此時的等效電路如圖11所示。若忽略二極管的正向電阻，則N點的電流方程為</p><p>　　圖11. 三角波變正弦波電路的分析</p><p>　　根據(jù)圖9所示曲線，當0.3Um≤│uI│＜0.56Um時，正弦波的幅度│uO│≈0.89|uI|。合理選擇R4，使Vcc/R4=uO/Rf，則根據(jù)上式，比例系

33、數(shù)|k|=|uO/uI|≈|R1/R|≈0.89。選擇R1≈0.89R，就可得到│uO│≈0.89|uI|。</p><p>　　隨著uI逐漸降低，uO逐漸升高，D2、D3依次導通，等效反饋電阻逐漸減小，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為0.77、0.63。</p><p>　　（4）當uI從負的峰值逐漸增大時，D3、D2、D1依次截止，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為0.63、0.77、0.89、1。同理，當

34、uI繼續(xù)逐漸升高，uO將逐漸降低，D’1、D’2、D’3依次導通，等效反饋電阻逐漸減小，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為1、0.89、0.77、0.63。</p><p>　?。?）當uI從正的峰值逐漸減小時，D’1、D’2、D’3依次截止，比例系數(shù)的數(shù)值依次約為0.63、0.77、0.89、1；使輸出電壓接近正弦波的變化規(guī)律，波形如圖9所示，但與輸入三角波反相。</p><p>　　3.2.3．4

35、折線法的優(yōu)缺點</p><p>　　折線法的優(yōu)點是不受輸入電壓頻率范圍的限制，便于集成化，缺點是反饋網(wǎng)絡中電阻的匹配比較困難。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)置</p><p>　　將圖6（或圖8）的輸出端與圖10的輸入端連接即構(gòu)成本波形發(fā)生器電路設(shè)計如圖12，可實現(xiàn)方波，三角波，正弦波波形的電壓輸出。</p><p>　　

36、圖12.a， 波形發(fā)生器電路</p><p>　　圖12.b.波形發(fā)生器原理圖</p><p><b>　　圖12.c 網(wǎng)絡表</b></p><p>　　電路的參數(shù)選擇及計算</p><p>　　1.方波——三角波中電容C1變化（關(guān)鍵性變化之一）</p><p>　　比較器A1與積分器A2的元件

37、計算如下：</p><p>　　由式（3-61）得U02m=Vcc，即</p><p>　　取 ，則，取 ，RP1為47KΩ的點位器。區(qū)平衡電阻</p><p>　　由式（3-62），即</p><p>　　當時，取，則，取，為100KΩ電位器。當時 ，取以實現(xiàn)頻率波段的轉(zhuǎn)換，R4及RP2的取值不變。取平衡電阻。</p><

38、;p>　　三角波-正弦波變換電路的參數(shù)選擇原則是利用二極管和電阻構(gòu)成反饋通路的反相比例運算電路，可以隨著輸入電壓的數(shù)值不同而改變電路的比例系數(shù)。</p><p><b>　　第五章 設(shè)計總結(jié)</b></p><p>　　通過這次課程設(shè)計不但鞏固了我的專業(yè)知識，還使我對函數(shù)發(fā)生器加深了認識，同時也讓我在電腦操作方面更熟練了一些，懂得了知識是一個長期積累，不斷加深的

39、過程。在以后的工作、生活中都應不斷的學習，努力提高綜合素質(zhì)！實驗的過程中我明白了同學之間互相幫助的重要性，雖然在實踐的過程中遇到了很多的問題，但是在請教老師、同學以及通過網(wǎng)上查閱資料的方式終于將問題都解決了，明白了成功的來之不易。也讓我體會到了創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功時的喜悅。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　1. 童詩白 華成英