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2013年10月25
一、设计任务与要求
1.设计任务
运用集成运算放大器为主要器件,设计—个锯齿波产生电路。
通过对多功能波型发生器的设计,加深对电子技术、测试测量技术理论的认识,为毕业设计打下良好基础。
学会查阅相关资料;
提出具体方案;
按要求设计好电路图,仿真成功;
递交课程设计实验报告
2.性能指标要求
(1)在控制开关的作用下,能实现单周期扫描、间歇扫描、连续扫描和停止扫描控功能;
(2)具有输出幅度调节、直流偏置调节和扫描周期调节功能;
(3)输出电压幅度在土10V的范围内可调,线性度优于0.01%
(4)要求主要选用集成运放实现;
二、方案设计与论证
1.设计要求的总体分析
锯齿波可用积分器和模拟电压比较器实现,要实现对电路的工作方式控制可以通过电子开关,也可以用手动控制。
幅度频率可调锯齿波发生器电路可由集成运放构成,也可以由集成函数发生器8038构成,还可以由555定时芯片构成的自举电路产生。
本次设计采用的是集成运放构成的电路。
按任务要求,设计电路,计算参数,选择元器件。
根据所设计的电路和所选择的元器件绘制电路,并按照调试步骤进行调试。
逐步排除故障最终达到设计要求
电路的总体方案框图如下:
一.锯齿波发生器主要由迟滞比较器和RC充放电电路组成。
比较器属于信号处理的一种。
它的作用是将输入信号的电平进行比较,然后把比较的结果输出,本文采用的迟滞比较器的特点是:
当输入增大及减小时,两种情况下的门限电压不相等,传输特性呈现出“滞回”曲线的形状。
二.直流稳压电源在电子电路中,通常都需要电压稳定的直流电源供电。
小功率的稳压电源的组成如图1.4.1所示,它由电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路4部分组成
三•工作方式控制电路
该部分电路控制整个电路的工作,可以控制锯齿波发生电路的工作,可
以实现单周期扫描、间歇扫描、连续扫描和停止扫描控功能;
3.单元电路设计与参数计算
(一)锯齿波产生电路
1.集成运算放大器
图3是集成运放的符号图,1、2端是信号输入端,3、4是工作电压端,5是输出端,在实际中还有调零端,频率补偿端和偏置端等辅助端。
集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成,因此一般具有两个输入端以及一个输出端。
图中标有“+”号的是同相输入端,标有“一”号的是反相输入端,当信号从同相端输入时,输出信号和输入信号同相,反之则反相。
当集成运放工作在线性区时,它的输入信号电压和输出信号电压的关系是:
Up-Un
(1)
式中Aod是运放器的放大倍数,Aod是非常大的,可达几十万倍,这是运算放大器和差分放大器的区别,而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高,一般达几百千欧到几兆欧,因此在实际应用中,常常把集成运放器看成是一个
“理想运算放大器”。
理想运算放大器的两个重要指标为:
(1)差模输入阻抗为%;
(2)开环差模电压增益Aod为%。
根据这两项指标可知,当理想运算放大器工作在线性区时,因为其输入阻抗为X,因此在其两个输入端均没有电流,即在图1中I1丨2=0,如同两点被断开一样,这种现象称为“虚断”。
又因为心「:
,根据输入和输出端的关系:
Up-Un二5,所以认为运放的
Aod
同相输入端与反相输入端两点的电压相等,如同将该两点短路一样。
这种现象成为“虚短”。
1►
同相输入端电
反相输入端%。
.
2L
“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论,常常作为分析许多运放电路的出发点。
当理想运放工作在非线性区时,则“虚短”现象不复存在。
图3集成运算放大器
2.滞回比较器
滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。
在比较电路当中,如果输入电压受到干扰或噪声的影响,在门限电平上下波动,则输出电压将在高、低两个电
平之间反复地跳变,如在控制系统中发生这种情况,将对执行机构产生不利的影响。
滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。
滞回比较器又名施密特触发器,其电路如图2所示。
图4滞回比较器电路原理图
输入电压U经电阻R2加在集成运放的反相输入端,参考电压Uef经电阻Ri接在同相输入端,此外从输出端通过电阻R引回同相输入端。
电阻R3和背靠背稳压管VD的作用是限幅,将输出电压的幅度限制在士U。
在本电路中,当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等,即U_=U.时,
输出端的状态将发生跳变。
其中U+则由参考电压Uref及输出电压U0二者共同决定,而U0有两种可能的状态:
+U或—Lt。
由此可见,这种比较器有两个不同的门限电平,故传输特性呈滞回形状,如图3所示。
lo
——►
4—
1
i
r-
L
«
——
图5滞回比较器的传输特性
F面对此电路进行定性的分析:
利用叠加原理可求得同相输入端的电位为:
Rf
R2
—bU。
(2)
若原先UO=+UZ,当U逐渐增大时,使Uo从+UZ跳变为一U所需的门限电平用UT+表示,由上式可知:
Ut=Ut—Ut=
2R2
R2Rf
Uz
(5)
RfR2/c、
Ut-fUref2Uz(3)
R2+RfR2+Rf
若原先Ub=-
表示,则:
-U,当u逐渐减小,使uo从一UZ跳变为+U所需的门限电平用Ur—
Ut-IUyf2Uz(4)
R2+RfR2+Rf
上述两个门限电平之差成为门限宽度,用符号Ut表示,由以上两式可求得:
由此可见,门限宽度Ut的值取决于稳压管的稳定电压U以及电阻R2和Rf的值,但与参考电压Uef无关。
也就是说,当Uef增大或减小时,滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移,但滞回曲线的宽度将保持不变。
说明滞回比较器的抗干扰能力强。
当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时,只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT+和UT—的值,就可以避
免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变。
3.积分电路
积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路,它是组成模拟计算机的基本单元,可以实现对微分方程的模拟。
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延时、定时以及各种波形的产生。
电路组成如图6,根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知:
电路的输出电压U与电容两端的电压U成正比,而电路的输入电压U与流过电容的电流ic成正比,即U0与U之间成为积分运算关系。
由于集成运放的反相输入端“虚地”,故U。
二-Uc可见输出电压与电容两端电压成正比。
又由于“虚断”,运方反相输入端的电流为零,则i“c,故Ui-iR1=icR即输入电压与流过电容的电流成正比。
由以上几个表达式可得:
11
U°
=—Uc=-icdt=-Uidt(6)
CRC
由此可知,当输入电压为矩形波时,通过积分换算,输出电压即可转变为三角波。
(二)工作方式控制电路
运算放大器和开关S1等元器组成工作方式控制电路。
当S1接通时,A4的反相输入端电压高于同相输入端电压,使输出端为负限幅电平值,控制二极管导通,场效应管截止,积分器A1及A2、A3处于上述扫描工作状态。
当一个周期结束时,Vo2有低电平变为高电平,振荡器停止工作。
当电容充电使反相输入端电压升高。
振动器又开始工作,即振动器电路处于间歇性工作状态。
产生间歇扫描信号输出。
当S2处于B时,A4组成单稳态触发电路。
按下开关S2,产生一个周期的信号输出。
当S2置于C时,输出连续扫描工作状态。
S2置于D时振动器停止工作,没有信号输出。
(三)输出电路
运算放大器A和电位器RW、RW3及电阻等组成加法电路。
Vol输出的等幅锯齿波电压经Rw、R27加于A的反相输入端,同时RW3、R28、R29对电源电压分压后叠加于A的反相输入端,在A的输入端,V05可得到幅度在土10V范围内的锯齿波电压,其线性度优于0.01%。
调节Rw可改变输出信号幅度,调节RW3可改变RW3输出直流偏量,即改变锯齿波电压的其实位置。
四、总原理图及元器件清单
1•总原理图
2•元件清单
元件序号
型号
主要参数
数量
备注
1稳压管
5.1V
2个
2二极管
1N4154
11个
3集成运放
200kv/v
1个
4电位器
10kQ
5电位器
15kQ470k
各1个
6电阻
1K、10K、200k
各4个
7电阻
1.5k、2.4K、2k、8.2k、
5.1k、7.5k
各2个
8电容
0.1F、200pf、10uf
9开关
3个
10电阻
100k,150k,
300k.
11电容
10pf、3pf、
各3个
五、安装与调试(没有进行安装调试的这部分写电路中参数的选择与计算)
六、性能测试与分析(写仿真调试与分析)
幅度可调锯齿波发生电路包括两部分,一是由集成运算放大器组成的滞回比较器电路,二是由集成运算放大器组成的积分电路。
它的主要元器件包括集成运算放大器、电容、电阻、可调电位器、二极管、稳压管等。
将滞回比较器的输出电压接在示波器通道A一端,积分电路的输出电压接在示波器的通道B一端,便可对电路进行仿真,
得出仿真结果。
七、结论与心得
通过对多功能锯齿波发生器的设计,发现自己在模电这一块学得不好,有很多知识还没有掌握。
我深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性与真实性。
而且通过对此课程的设计,我学会了以前不知道的理论知识,而且也巩固了以前知道的知识。
最重要的是在实践中理解了书本上的知识,明白了学以致用的真谛。
如果学而不用,知识很快就会被忘掉。
这是为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手能力。
在整个设计到电路的焊接以及调试过程中,我个人感觉原理图参数计算是最难的,因为你理论计算的值在实际当中并不一定是最佳参数,但我们必须通过改变参数的数值以期达到最好。
而参数的调试是一个经验的积累过程,没有经验是不可能在短时间内将其完成的,而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧!
在这次课程设计中发现了自己很多不足之处,希望以后能多动手,多学习,多思考。
八、参考文献
[1]康华光,模拟电子技术基础(第五版),高等教育出版社,2010。
[2]康华光,数字电子技术基础(第五版),高等教育出版社,2010。
[3]李淑明,模拟电子电路实验,电子科技大学出版社,2010。
[4]电子技术课程设计指导/彭介华,高等教育出版社,2010。
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