设计制作一个产生正弦波方波三角波函数转换器.docx
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设计制作一个产生正弦波方波三角波函数转换器
设计制作一个产生正弦波-方波-三角波函数转换器
模拟电路课程设计报告
设计课题:
设计制作一个产生正弦波\方波\三角
波函数转换器
专业班级:
电信本
学生姓名:
学号:
47
指导教师:
设计时间:
1月7日
设计制作一个产生正弦波,方波,三角波函数转换器
一、设计任务与要求
1.输出波形频率范围为0.2KHz~20kHz且连续可调;
2.正弦波幅值为?
2V,;
3.方波幅值为2V;
4.三角波峰-峰值为2V,占空比可调;
5.分别用三个发光二极管显示三种波形输出;
6.用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源(?
12V)。
二、方案设计与论证
设计要求为实现正弦波-方波-锯齿波之间的转换。
正弦波可以通过RC振荡电路产生。
正弦波通过滞回比较器可以转换成方波,方波通过一个积分电路可以转换成三角波,三角波的占空比只要求可调即可。
各个芯片的电源可用?
12V直流电源提供,并备用了两套方案设计。
方案一:
方案一电路方框图如图1所示。
LC正弦波振荡滞回比较器积分电路
电路
图1方案一方框图
LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相似的,只是选频网络采用LC电路。
在LC振荡电路中,当f=f时,放大电路的放大倍数0
数值最大,而其余频率的信号均被衰减到零;引入正反馈后,使反馈电压作为放大
电路的输入电压,以维持输出电压,从而形成正弦波振荡。
方案二:
方案二电路方框图如图2所示。
RC正弦波振荡积分电路滞回比较器电路
图2方案二方框图
方案二仿真电路如图3所示。
图3方案二仿真电路图
方案论证:
LC正弦波振荡电路特别是方案一所采取的电感反馈式振荡电路中N1与N2之间耦合紧密,振幅大;当C采用可变电容时,可以获得调节范围较宽的振荡频率,最高频率可达几十兆赫兹。
由于反馈电压取自电感,对高频信号具有较大的电抗,输出电压波形中常含有高次谐波。
因此,电感反馈式振荡电路常用在对波形要求不高的设备之中,如高频加热器、接受机的本机振荡电路等。
另外由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高,所以放大电路多采用分立元件电路,必要时还应采用共基电路。
因此对于器材的选择及焊接的要求提高,并且器材总价格也增加了。
相反,RC正弦波振荡电路的振荡频率较低,一般在1MHz以下,它是以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络,以电压串联负反馈放大电路为放大环节,具有振荡频率稳定,带负载能力强,输出电压失真小等优点,因此获得相当广泛的应用。
另外对于器材的要求也不高,只需集成块、电容、电位器等组成即可。
在焊接方面,直接、美观、大方~在器材总价格方面,相比第一种方案更为实惠。
综合对比两种方案,我选择第二种方案。
三、单元电路设计与参数计算
(一)单元电路设计
1.正弦波发生器实验原理
(1)RC串并联选频网络。
R2,,U,RC1,jf222,F,,,,11U,,,12R,,1,,CRCj1,j1221,RC112,(1,,),j(,)RC12RC,RC21211,F,11,,f,00,,取R1=R2=R,C1=C2=C,令则:
03,j(,)2,RCRC,,0得RC串并联电路的幅频特性为:
1,F,1,,22,0相频特性为:
F,3,(,)3,,0
,0,1,,0当,,,,时,,,arctg,最大,,F=0。
0FRC3
(2)振荡频率与起振条件
11)振荡频率f,02,RC
2)起振条件
,,1AF,1,当f=f0时,由振荡条件知:
F,3
,A,3所以起振条件为:
RFA,1,fu同相比例运放的电压放大倍数为:
R即要求:
R,2RF
3)稳幅环节:
反馈电阻的热敏R采用负温度系数电阻,R1采用正温系数的热F敏电阻,均可实现自动稳幅。
或者在R回路中串联二个并联的二极管也可以自动稳F幅。
正弦波发生器仿真电路图4所示。
图4正弦波发生器仿真电路图2.正弦波—方波转换器实验原理
正弦波—方波转换器方框图如图5所示。
方波滞回比较器正弦波发生电路
图5正弦波—方波转换器方框图
(1)电路组成:
1)滞回比较器:
集成运方、R11、R8.
图6为一种电压比较器电路,双稳压管用于输出电压限幅,R起限流作用,R和32
R构成正反馈,运算放大器当u>u时工作在正饱和区,而当u>u时工作在负饱和区。
1pnnp从电路结构可知,当输入电压u小于某一负值电压时,输出电压u=-U;当输入电压ioZu大于某一电压时,u=+U。
又由于“虚断”、“虚短”u=u=0,由此可确定出翻转时ioZpn的输入电压。
u用u和u表示,有pio
11u,uioRu,RuRR2i1o12u,,=u=0np11R,R12,RR12
得此时的输入电压
RR11u,,u,mU,mUioZthRR22U称为阈值电压。
滞回电压比较器的直流传递特性如图7所示。
设输入电压初始值小th
于-U,此时u=-U;增大u,当u=U时,运放输出状态翻转,进入正饱和区。
如果thoZiith
初始时刻运放工作在正饱和区,减小u,当u=-U时,运放则开始进入负饱和区。
iith
uo
uUnZ-uRo3+up+uinuRRin12-UU0thth
UZ-UZ
图6电压比较器电路图7滞回电压比较器的直流传递特性
(2)正弦波—方波转换仿真电路图正弦波—方波转换仿真电路如图8所示。
图8正弦波—方波转换仿真电路图
3.方波—三角波转换器实验原理
方波—三角波转换器方框图如图9所示。
方波发生电路积分电路三角波
图9方波—三角波转换器方框图
(1)积分运算电路
如图10所示。
图10积分运算电路由于“虚地”,U-=0,故:
Uo=-Uc
由于“虚断”,i=i,故:
1C
Ui=iR=iR1c
11u,,u,,idt,,udtOCCI,,CRC得:
;τ=RC(积分时间常数)
由上式可知,利用积分电路可以实现方波——三角波的波形变换。
(2)正、反向积分时间常数可调电路
正、反向积分时间常数可调电路如图11所示。
图11正、反向积分时间常数可调电路
4.直流电源电路原理
直流电源电路方框图如图12所示。
稳压电路滤波电路电源变压器整流电路
图12直流电源电路方框图
(1)整流电路:
将交流变直流的过程。
设变压器副边电压U2=,U为其有效值。
2Usinwt22
则:
输出电压的平均值
1U,2Usinwtd(wt),0.9UO(AV)22,0,
输出电流的平均值
I=0.9U/RO(AV)2L
脉动系数
UO1MS==2/3=0.67UO(AV)
二极管的选择
2U2最大镇流电流I>1.1F,RL
2U最高反向工作电压U>1.1RM2
(2)滤波电路:
将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。
按照三角形相似关系可得:
U=U(1-T/4RC)2O(AV)2L
当RC=(3~5)T/2时,U=1.2ULO(AV)2
T脉动系数为S=4RC,TL
(3)稳压电路:
把电压幅值稳定的电路。
在稳压二极管所组成的稳压电路中,利用稳压管所起的电流调节作用,通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿,来达到稳压的目的。
限流电阻R是必不可少的元件,它既限制稳压管中的电流使其正常工作,又与稳压管相配合以达到稳压的目的。
一般情况下,在电路中如果有稳压管存在,就必然有与之匹配的限流电阻。
1)稳压电路输入电压U的选择:
I
根据经验,一般选取U=(2~3)UIO
U确定后,就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。
I
2)稳压管的选择:
U=U;ZO
I-I>I-I;ZmaxZminLmaxLmin
稳压管最大稳定电流I>=I+IZMLmaxLmin
限流电阻R的选择:
3)
通过查手册可知:
I<=I<=I;ZMINDZZMAX
R计算可知:
=(U-U)/(I+I)IminZZLmaxmax
R=(U-U)/(I+I)minImaxZZMLmin
本实验采用集成稳压器电路,其包括调整管、保护电路、比较放大电路、基准电压电路、采样电路、电流源电路。
4)直流电源电路仿真电路图如图13所示。
图13直流电源电路仿真电路图
(二)参数计算
1.直流电源的参数设计
提供的是220V的交流电源要变为正负12V直流电,变压器用220V~15V规格的,
2U2由于整流电路中用的二极管最大镇流电流I>1.1,最高反向工作电压F,RL
U>=1.12U,因此选用二极管型号为1N4007即可。
滤波电路中RC=(3~5)T/2时滤RML2
波效果好,因此大电容可选用耐压值为35V,3300uf的电容两个。
稳压管稳压电路中选的三端稳压器为:
LM7812、LM7912,这样可以稳定输出电压为正负12V。
另外加上一些滤波电容,即:
C=C=220uf,C=C=220nf,C=C=100nf.为了显示输出345678
电压“与否”,两边可分别用二极管串联一个1K的电阻来显示。
2.RC正弦波振荡电路的参数设计
根据设计要求输出波形频率范围为0.2KHz~20kHz且连续可调,正弦波幅值为?
2V,f0=1/(2ПRC),由于器材的原因,取C=220nf,则R=1/2Пf0C,解之可得,R的取值范围0.0369K~3.69K,因此RC选频网络用两个5K电位器和两个220nf的电容组成串并联网络。
对于电压幅值2V,可以通过R10K的电位器和R10K的电阻调31
节而得到。
3.方波电路的参数设计
根据设计要求方波幅值为2V,因此选择的稳压二极管可选用稳压为3.3V的,共两个。
3.三角波电路的参数设计
由于是方波—三角波转换电路,因此在第二个集成块的输出端加上个限流阻R5=2K,根据设计要求锯齿波的峰—峰值为2V,且占空比可调。
11Uo=-Uz(t1-t0)+U(t0)当Uo=Uz(t2-t1)+U(t1)OO(R8,R9)CR8C
2R5(2R8,R9)CT=,取R9、R5为10K的电位器,R8为50K电位器。
解之可得:
R6
R6=282/T=282f=0.0968K~9.68K,因此取R6=10K,积分电路中C=220nf,改变占空比的二极管可选用2个1N4007,补偿电阻R12可选取10K,以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。
四、总原理图及元器件清单
1.总原理图
直流电源原理图如图14所示。
图14直流电源原理图
波形转换原理图如图15所示
图15波形转换原理图
2.元件清单
元件序号型号主要参数数量备注(价钱)
15V1变压器9元LM78121三端稳压器1.2元LM79121三端稳压器1.2元
电阻68Ω、2K、10K3、1、30.1元
15K、1K1、2
Ua7413芯片1.5元
电位器5K、50K2、10.5元
10K4电位器0.5元
0.22uf3电容0.5元1N400710二极管0.1元
5发光二极管0.3元
3.3V2稳压管0.25元
1大号焊接板2.0元大电容耐压35V以上3300uf、220uf2、20.5元
小电容0.1uf、0.33uf2、20.3元
1导线3元五、安装与调试
1.直流稳压电源
(1)按所设计得电路图在电路板
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