多种波形发生器的设计与制作92.doc

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明达职业技术学院

实训（实践）报告

2010－2011学年度第一学期

　信息工程　系应用电子技术专业

班级09应用电子技术学号45093128

课题名称多种波形发生器的设计与制作

学生姓名钱露

指导教师杨毅德

2011年12月18日

明达职业技术学院

毕业设计（论文）任务书

　信息工程　系　应用电子技术专业　班级09应电姓名钱露学号45093107

课题名称：

多种波形发生器的设计与制作

课题主要内容、意义：

设计并制作一个环形多种波形发生器，产生的四种波形如图所示：

课题研究思路、方法和要求：

由给定各波形的时序关系知：

方波决定三角波，三角波决定脉冲波，脉冲波决定锯齿波，而锯齿波又决定方波。

可选用由通用型集成运放组成的过零比较器、积分电路、锯齿波发生电路及直流电平移位电路来完成的。

课题研究计划：

第一周，收集资料，研究设计方案并设计具体电路。

第二周，申领工具、元器件等一应设计制作中所需的材料和设备，并开始制作调试单元电路及修正前期设计中可能出现的缺陷。

第三周，统调总电路以完成指标要求并取得相关实际技术参数。

第四周，撰写论文，准备答辩。

指导教师意见：

指导教师（职称）：

20年月日

系部意见：

系主任签字：

（系盖章）

20年月日

多种波形发生器的设计与制作

作者:

钱露

【摘要】方波、三角波、脉冲波、锯齿波等非正弦电振荡信号是仪器仪表、电子测量中最常用的波形，产生这些波形的方法较多。

以前，人们常用模拟电路来产生这种波形，其缺点是电路结构复杂，所产生的波形种类有限。

随着单片机技术的发展，采用单片机电路产生各种波形的方法已变的越来越普遍。

虽然，可能产生的波形会呈微小的阶梯状，但是，只要设计得当，这一问题可以得到一定的解决。

本课题要求设计的多种波形发生器是一种环形的波形发生器，方波、三角波、脉冲波、锯齿波互相依存。

电路中应用到模拟电路中的积分电路、过零比较器、直流电平移位电路和锯齿波发生器等典型电路。

通过对本课题的设计与制作，可进一步熟悉集成运算放大器的应用及电路的调试方法，提高对电子技术的开发应用能力。

【关键词】

过零比较器积分电路直流电平移位锯齿波发生电路

引言

波形发生器是一种常用的信号源，广泛用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。

如设计和测试、汽车制造、生物医药、传感器仿真、制造模型等。

　　传统的信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形。

它在电子信息、通信、工业等领域曾发挥了很大的作用。

但是采用这种技术的波形发生器电路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较差，而且仅能产生正弦波、方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。

随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。

它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。

实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制D/A，就可以得到各种简单波形。

但由于微处理器的速度限制，这种方式的波形发生器分辨率较低，频率切换速度较慢。

　　从2007年2月到2007年4月，在系统研究国内外波形发生器的基础上提出了基于Matlab和FPGA技术的波形发生器，在FPGA内开辟高速存储器ROM做查询表，通过Matlab获得波形数据存入ROM中，波形数据不断地，有序地从ROM中送到高速D/A转换器对存储器的波形数据进行转换。

因此只要改变FPGA中查找表数据就可以产生任意波形，因此该研究方法可以产生任意波形。

　　随着我国四个现代化和经济发展，我国在科技和生产各领域都取得了飞速的发展和进步，同时这也对相应的测试仪器和测试手段提出了更高的要求，而波形发生器已成为测试仪器中至关重要的一类，因此在国内发展波形发生器具有重大意义和实际价值。

例如，它能模拟编码雷达信号、潜水艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬变过程、电视信号以及神经脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器捕获的波形等。

当然在电子电路及电子设备中一般都需要一组或几组搞完了定性的直流电源供电，直流电源的作用之一是为各级电路中的三极管提供合适的偏置，其次是作为整个电子电路的能源。

干电池、畜电池把化学能转化为电能，应该说是一种高质量的电源，但他们的成本高，使用不方便。

所以这里主要用传统的方法把电网电压的单向交流电（200V,50HZ），通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路转换为12V直流电源，实现直流电源的性能指标及对多波形信号发生器电路的驱动。

1、设计任务

设计并制作一个环形的多种波形发生器，能同时产生方波、三角波、脉冲波和锯齿波，它们的时序关系及幅值要求如图1所示。

图1波形图

设计要求：

（1）各波形时序关系如图，重复周期为10ms，误差不超过

（2）四种波形的幅值要求如图1所示，幅值误差不超过

（3）只允许采用通用器件，如集成运放，选用F741。

（4）要求各波形在启动后能维持自由振荡。

要求完成单元电路的选择及参数设计，系统调试方案的选取及综合调试。

一、总体方案的设计与选择

1.1、方案

（一）的基本构想和原理：

1、电路基本构想与组成：

在电路中，运放A1组成是比较器，A2是起反向积分的作用的按反相积分器，同时A1与A2共同组成了正反馈回路，形成自激振荡。

由A1输出正负对称的方波，输出电压经过R9与R10的分压后输入A2的反相端，经A2进行计分运算后，输出三角波；输出的三角波，再经过R7、C2和R8、C3两次积分后输出正弦波。

在电路中的不同的点取输出由此组成了可以同时产生正弦波、方波和三角波的电路。

在次电路中使用LM324集成运放、电阻、电容以及稳压管来构成基本的电路。

基本思路框图-

（1）如下：

三角波

方波

正弦波

R7、C2和R8、C3滤波电路

A1反相比较器

A2反相积分器

图--

（1）

1.2方案

（二）基本构想和原理

由给定的四种波形的时序关系看：

方波决定三角波，三角波决定脉冲波，脉冲波决定锯齿波，而锯齿波又决定方波。

属于环形多种波形发生器，原理框图可用图2表示。

图2多种波形发生器的方框图

方案的选择：

由于方案一不可以输出锯齿波，而且本设计要求精度比较高，所以这个方案不可行。

选第二个方案比较可行。

二、设计方案的选择及原理说明

仔细研究时序图可以看出，方波的电平突变发生在锯齿波过零时刻，当锯齿波的正程过零时，方波由高电平跳变为低电平，故方波发生电路可由锯齿波经一个反相型过零比较器来实现。

三角波可由方波通过积分电路来实现，选用一个积分电路来完成。

图中的uB电平显然上移了+1V，故在积分电路之后应接一个直流电平移位电路，才能获得符合要求的uB波形。

脉冲波的电平突变发生在三角波uB的过零时刻，三角波由高电平下降至零电位时，脉冲波由高电平实跳为低电平，故可用一个同相型过零比较器来实现。

锯齿波波形仍是脉冲波波形对时间的积分，只不过正程和逆程积分时常数不同，可利用二极管作为开关，组成一个锯齿波发生电路。

由上，可进一步将图2的方框图进一步具体化，如图3所示。

图3多种波形发生器实际框图

器件选择，设计要求中规定只能选用通用器件，由于波形均有正、负电平，应选择由正、负电源供电的集成运放来完成，考虑到重复频率为100Hz（10ms）,故选用通用型运放F741（F007）或四运放F324均可满足要求。

本设计选用F741。

1、F741的运放原理

F007的管脚封装图

管脚序号

1

2

3

4

5

6

7

8

COMP

IN-

IN+

-Vcc

COMP

OUT

+Vcc

NC

功能

调零端

反相输入端

同相输入端

负电源

调零端

输出端

正电源

空脚

F007的引脚功能表

2、单元电路选择

由时序关系：

电平突变发生在锯齿波过零时刻，故方波发生器由反相型过零比较器构成。

三角波由方波通过积分电路来实现。

脉冲波电平突变发生在三角波过零时刻，故脉冲波仍由一个过零比较器来完成。

锯齿波仍是脉冲波对时间的积分，故仍用一个积分电路来实现。

3、单元电路参数设计

（1）方波产生电路—反相型过零比较器

选择电路如图4所示。

图中，A1工作于开环，R1为运放输入端保护电阻取R1=10K，R2为稳压二极管的限流电阻，取值一般在（1—3）K之间，取R2=1K。

因UA幅值为5V，故输出端两只稳压二极管使输出高、低电平在5V左右，查晶体管手册，选用稳压二极管为2CW53（UZ=4.0~5.8V）两只。

必要时可通过晶体管图示仪进行挑选，以满足幅值要求。

图4反相型过零比较器电路

（2）三角波产生电路—基本积分电路

选择电路如图5所示，图中与C1并联的1M电阻主要是为了减小积分漂移，取值应大于R3。

图5积分电路

由波形图知，当UA为高电平5V，经过积分电路在5ms时间内，应下降4V，故参数计算如下：

由积分电路知：

*UA*=U′Bm,即

50.005=4w得R3C1=6.2510s

取C1=0.1uF,则R3=62500取R3=62K，R4=R3=62K

U′B的波形如图6。

图6积分电路输出波形图

（3）直流电平移位电路

将图6的U′B波形与图1的UB波形比较，为了得到UB的波形，必须将U′B波形上移3V，由直流电平移位电路来实现，如图7所示。

图7直流电平移位电路

若取R5=10K,Rp1=10K时，A3的③脚为零电平，调Rp1活动端使RP1减小，电平上升。

由于C2的隔直作用，只需将③脚电平设置在+1V，与U′B叠加。

A3为电压跟随器，UB与③脚波形相同。

由上，取R5=10K，RP1为10K电位器，C1取10uF。

（4）脉冲波电路设计—同相型过零比较器

选择电路如图8所示。

图中，取R6=10K，R7=1K，当uB>0V,A4的⑥脚输出高电平，D1、D2导通并钳位，若取两只硅二极管串取，可得uC=1.4V。

若UB<0,⑥脚输出低电平接近-Vcc，D1、D2截止，稳压管稳压为-5V。

取稳压管为2CW53、二极管为2CP10。

图8脉冲波形成电路

（5）锯齿波发生器—积分电路

由上所述，由于uD的正程和逆程斜率不同，即积分电路充、放电时常数不等。

故对uC为高、低不同电平时，采用二极管隔离输入回路。

如图9所示。