波形发生器课程设计.docx
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波形发生器课程设计
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波形发生器课程设计
《波形发生器》
课程设计报告
专业:
电气工程及其自动化
班级:
08级
姓名:
王诗慧
指导教师:
孟洁
2011年11月13日
一、设计题目:
波形发生器
二、设计目的
1、研究正弦波等振荡电路的振荡条件。
2、学习波形产生、变换电路的应用及设计方法以及主要技术指标的测试方法。
三、设计要求及主要技术指标
设计要求:
设计并仿真能产生方波、三角波及正弦波等多种波形信号输出的波形发生器。
1、方案论证,确定总体电路原理方框图。
2、单元电路设计,元器件选择。
3、仿真调试及测量结果。
主要技术指标
1、正弦波信号源:
信号频率范围20Hz~20kHz连续可调;频率稳定度较高。
信号幅度可以在一定范围内连续可调;
2、各种输出波形幅值均连续可调,方波占空比可调;
3、设计完成后可以利用示波器测量出其输出频率的上限和下限,还可以进一步测出其输出电压的范围。
四、仿真需要的主要电子元器件
1、运算放大电路2、滑线变阻器3、电阻器、电容器等
五、设计报告总结(要求自己独立完成,不允许抄袭)。
1、对所测结果(如:
输出频率的上限和下限,输出电压的范围等)进行全面分析,总结振荡电路的振荡条件、波形稳定等的条件。
2、分析讨论仿真测试中出现的故障及其排除方法。
3、给出完整的电路仿真图。
4、体会与收获。
一、方案论证与比较
方案一:
先用一块LM358运放做出方波经过积分电路获得三角波,再由三角波经过低通滤波转为正弦波。
.原理图及PCB图
电 路 图
PCB 原 理 图
PCB 封 装 图
五.电路的分析与计算
没有接通时,
,滞回比较器V0=+UZ,则集成运放同相输入端
,同时
给C充电,使VR由0上升,在
Vi
之前,
不变;当
时,V0跳变到-VZ。
当V0=-VZ时,
同时C经
反向输入端等效电阻)使VR降低,在VR>Vi之前V0=-VZ不变,当VR<Vi时,Vi跳变到+VZ
图5.0.1
(1)方波部分
方波的波幅由稳压管的参数决定,这里使用10V,方波的周期取决于充放电回路RC的数值。
若R或C其中一个增大,
和周期T均会增大,频率f也会增大。
计算周期T:
通过对方波发生电路的分析,可以想象,与改变输出电压的占空比,就必须使电容正向和反向充电的时间常数不同。
利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路,则占空比可调。
则可求出周期T:
带入值得T=
f=1/T=20KHz
图5.0.2
(2)三角波部分
在方波发生电路中,当阈值电压数值较小时,可将电容两端的电压看成为近似三角波。
所以只要将方波电压作为积分运算电路的输入,在其输出就得到三角波电压。
如图5.2.2的仿真结果所示,当方波发生电路的输出电压u01=-Uz时,积分运算电路的输出电压u0将线性下降;而当u01=Uz时,将线性上升。
图5.2.1
积分电路的输入电压u01,而且u01不是+Uz,就是-Uz,所以输出电压的表达式为
式中u0(t0)为初态时的输出电压。
设初态时u01正好从-Uz跃变为+Uz,则式子变为
积分电路反向积分,u0随时间的增长线性下降,一旦u0=-UT,再稍减小,u01将从+Uz跃变为-Uz。
式子变为
U0(t1)为u01产生跃变时的输出电压。
积分电路正向积分,u0随时间的增长线性增大,一旦u0=+UT,再稍加增大,u01将从-UZ跃变为+UZ,回到初态,积分电路又开始反向积分。
电路重复上述过程,因此产生自己震荡。
由以上分析可知,u0是三角波,幅值为±UT;u01是方波,幅值为±UZ,由于积分电路引入了深度电压负反馈,所以在负载电阻相当大的变化范围里,三角波电压几乎不变。
设正向积分起始值为-UT,终了值为+UT,积分时间为二分之一周期,则有
+UT=
得出震荡周期
震荡频率
调节电路中的R5,可以改变震荡频率和三角波的幅值。
仿真结果:
图5.2.2
(3)正弦波部分
在三角波电压为固定频率或频变化很小的情况下,可以考虑用低通滤波(或带通滤波)的方法将三角波变换为正弦波,输入电压的频率等于输出电压的频率。
将三角波按傅里叶级数展开
其中Um是三角波的幅值。
电路如下图5.3.1
图5.3.1
仿真结果:
图5.3.2
方案二:
由RC桥式正弦波振荡器产生正弦波,经过滞回比较器输出的方波经过积分器积分可得到三角波,三角波又触发比较器自动翻转形成方波,然后经过同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分器,共同组成锯齿波电压产生器电路。
总设计框图:
1.系统的全部功能、要求及技术指标
1.可实现正弦波,并且正弦波在信号频率范围20Hz~20kHz连续可调;频率稳定度较高。
实现了方波,三角波,锯齿波,并且信号幅度可以在一定范围内连续可调
2.各种输出波形幅值均连续可调,方波占空比可调
2.确定设计框图(系统包含的单元电路及结构)和总体设计方案
3..单元电路分析及计算
RC桥式正弦波振荡器(文氏电桥振荡器)
基本原理图:
RC桥式可由四部分组成:
分别为放大电路,选频网络,正反馈网络,稳幅环节。
其中RC串,并联电路构成正反馈支路,同时兼做选频网络,R1,R2,R4及二极管等元件构成负反馈和稳幅环节。
调节电位器R1,可以改变负反馈深度,以满足振荡的振幅条件和改善波形。
利用两个反向并联二极管D1,D2正向电阻的非线性特性来实现稳幅。
D1,D2采用硅管(温度稳定性好),且要求特性匹配,才能保证输出波形正、负半周对称。
R3的接入是为了削弱二极管非线性的影响,以改善波形失真。
RC并联选频网络的频率特性
整理得:
最终得:
振幅平衡条件
仿真图:
方波,三角波形成电路:
方波原理图
方波原理分析:
计算周期:
T=2T1=2RCln(1+2R2/R1)
三角波发生电路:
三角波原理图:
三角波,方波发生器:
基本原理图:
把比较器U2输出的方波经积分器U3积分可得到三角波,三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波、方波发生器。
由于采用运放组成的积分电路,因此可实现恒流充电,使三角波线性打打改善。
电路振荡频率:
f=R8/4R9(R12+R11)Cf(阻值参照下图)
方波幅值:
U=Uz可以取正负值
三角波幅值:
U=(R1/R2)Uz
方波三角波仿真图:
锯齿波发生电路:
锯齿波原理图:
它包括同相输入比较器和充放电时间常数不等的积分器两部分。
门限电压的估算:
Vp=Vi-[(Vi-Vo)/(R1+R2)]R1
考虑电路翻转:
Vn=Vp=0得
Vi=Vt=-(R1/R2)Vo1
得上门限电压为Vt=(R1/R2)Vz
得下门限电压为Vt=-(R1/R2)Vz
门限宽度为上门限与下门限之差。
工作原理:
设t=0时接通电源,有Vo1=-Vz经R4向C充电,使输出电压按线性规律增长。
当Vo上升到门限电压Vt,使Vp=Vn=0时,比较器输出Vo1由-Vz上升到+Vz,同时门限电压下跳到Vt-值。
以后Vo1=+Vz经R4和D、R6两支路向C反向充电,由于时间常数减小,Vo迅速下降到负值。
当Vo下降到门限电压Vt-使Vp1=Vn1=0时,比较器输出Vo1又由+Vz下跳到-Vz。
如此周而复始,产生振荡。
由于电容C的正向与反向充电时间常数不相等,输出波形Vo为锯齿波电压,Vo1为矩形波电压。
忽略二极管的正向电阻,其振荡周期;
T=T1+T2=2R1R4C/R2+2R1(R4||R6)C
=2R1R4C(R4+2R6)/R2(R4+R6)
当R6、D支路开路,电容C的正、反向充电时间常数相等时,此时锯齿波就变成三角波,从而电路也就变成了方波,三角波产生电路。
振荡周期:
T=4R1R4C/R2
三、系统仿真调试分析
1、软件仿真原理图
2、模拟仿真过程
正弦波起始振荡状态
后正常正弦振荡状态
方波振荡状态
三角波起始振荡状态:
后三角波正常状态
锯齿波振荡状态:
1、各项指标测试:
正弦波:
频率:
电压:
方波:
频率:
电压:
三角波:
频率:
电压:
锯齿波:
频率:
电压:
四、数据与调试分析
1.从数据记录中可以看到误差:
频率最小值误差:
最大值误差:
正弦波幅值误差:
方波幅值误差:
三角波幅值误差:
锯齿波幅值误差:
因为运用了RC正弦振荡电路,比较器,积分器,可变电阻来实现波形的稳定和可调。
电压范围在到可调,频率在到20KHZ可调,由于参数设置上有一定的偏差,致使在测量过程中数据有一定波动,电路不太稳定。
五、心得体会
通过这次对波形发生器的制作和设计,让我更加明白了设计电路的程序,也让我更加深入了解了波形发生器的设计理念和思路。
其实这次实验做得并不是很顺利,在运行过程中碰到了很大的困难,比如出不来图形反而出现了错误,出来了图形但是严重失真等。
一开始还比较迷茫,但是我没有失去信心,通过不断地改变阻值,改变接法,终于大体上算是成功了。
但是有点遗憾就是波形还是有点微微失真,电压、频率等幅值误差还是较大。
我想这是促使我要更加努力地学习课本知识来完善电路。
在这里我要感谢老师的帮助,因为老师的提醒,让我的电路更加可行,使用。
也因为老师,让我更加有信心去研究新的方法。
六、参考文献
1.彭介华.电子技术课程设计指导.北京:
高等教育出版社,2005
2.陈大钦主编.电子技术基础实验—电子电路实验·设计·仿真.北京:
高等教育出版社,2000
3.高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.北京:
电子工业出版社,2002
4.郑步生.Multisim2001电路设计及仿真入门与应用.电子工业出版社.2002
1.《模拟电子技术基础》高等教育出版社;
2.《Protel99SE入门与提高》电子工业出版社
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- 波形 发生器 课程设计