电路CAD课程设计波形发生器.docx
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电路CAD课程设计波形发生器
电路CAD课程设计报告
题目波形发生器
学生姓名
学号
学院
专业
指导教师
2011年12月18日
摘要
波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形电压或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形波形发生器,使用器件可以是分立器件,也可以采用集成电路。
本次波形发生器设计要求产生方波和三角波,矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础,当方波电压加在积分运算电路输入端是,输出就获得三角波电压。
而矩形波电压只有两种状态,不是高电平,就是低电平,所以电压比较器是它重要组成部分;因为产生振荡,就要求输出两种状态自动地相互转换,所以电路中必须引入反馈;因为输出状态应按一定时间间隔交替变化,即产生周期性变化,所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。
关键词:
波形发生器,三角波,方波,电路原理图,PCB图
1设计任务及要求…….……………………………………………….3
1.1设计要求………….……………………………………………….3
1.2设计任务……………………………………………………….…….3
2方案选择………………….………………………………………………….3
3单元电路设计………….………………………………………………….5
3.1矩形波发生器电路…….……………………………………………….5
3.2三角波发生器电路……………………………………………….…….6
3.3电源电路………………………………………………………….…….6
3.4单元电路计算…………………………………………………….…….7
4电路板图设计………….………………………………………………….10
4.1总原理图……………….……………………………………………….10
5设计结论……………………………………………………………………14
6参考文献…………………………………………………………………….14
波形发生器
1、设计任务及要求
1.1设计要求:
使用集成运放设计一个波形发生器,产生一个频率为fo=5kHz方波,其电压幅度为+Vs=|-Vs|=14V。
同时产生一个频率为fo=5kHz三角波,其幅度为+Vt=|-Vt|=5V。
波形发生器方框图见图(图1)。
1.2设计任务:
1.2.1方波发生器设计;
1.2.2三角波发生器设计;
1.2.3电源电路设计。
2、方案选择
波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形电压或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形波形发生器,使用器件可以是分立器件(如视频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块5G8038)。
本次波形发生器设计要求产生方波和三角波,矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础,当方波电压加在积分运算电路输入端是,输出就获得三角波电压。
而矩形波电压只有两种状态,不是高电平,就是低电平,所以电压比较器是它重要组成部分;因为产生振荡,就要求输出两种状态自动地相互转换,所以电路中必须引入反馈;因为输出状态应按一定时间间隔交替变化,即产生周期性变化,所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。
系统原理框图如下示:
模拟电路实现方案
用正弦波发生器产生正弦波信号,然后用过零比较器产生方波,再经积分电路产生三角波,电路框图如上示。
此电路结构简单,且有良好正弦波和方波信号。
但经过积分电路产生同步三角波信号,存在难度。
原因是积分器电路积分时间常数是不变,且随着方波信号频率改变,积分电路输出三角波幅度同时改变。
若要同时保持三角波输出幅度不变,须同时改变积分时间常数大小。
系统原理框图如下示:
若用运放完成,则选定用比较器,比较器器有好多种,比如单限比较器,滞回比较器,窗口比较器等等。
虽然单限比较器很灵敏,但是抗干扰能力差。
滞回比较器具有滞回特性,即具有惯性,因而也就是具有一定抗干扰能力。
从而选择滞回比较器。
由于本次波形发生器设计要求产生方波和三角波,矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础,当方波电压加在积分运算电路输入端是,输出就获得三角波电压。
而矩形波电压只有两种状态,不是高电平,就是低电平,所以电压比较器是它重要组成部分;因为产生振荡,就要求输出两种状态自动地相互转换,所以电路中必须引入反馈;因为输出状态应按一定时间间隔交替变化,即产生周期性变化,所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。
3.单元电路设计
3.1矩形波发生器电路
矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础,当方波电压加在积分运算电路输入端是,输出就获得三角波电压。
而矩形波电压只有两种状态,不是高电平,就是低电平,所以电压比较器是它重要组成部分;因为产生振荡,就要求输出两种状态自动地相互转换,所以电路中必须引入反馈;因为输出状态应按一定时间间隔交替变化,即产生周期性变化,所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。
下图是矩形发生器电路,它由反相输入滞回比较器和RC电路组成。
RC回路既作为延迟环节,又作为反馈网络,通过RC充,放电实现输出状态自动转换。
矩形发生电路
原理:
将输出电压U0经过RC积分电路,利用电容充放电电压取代外加输入信号送入比较器反相端,及同相端上门限电压相比较,使比较器输出不断发生转化,从而形成高低电平周期性交替矩形振荡波形。
接通电源瞬间,电容C初始电压为0,电路输出电压U0使高电平或者低电平是随机,假设输出电压为高电平U0=+UZ,则运放同相输入端电位是U+=UT+.
(1)u0通过R对电容C正向充电,使UC增加,当UC上升到略大于UT+,比较器输出电压发生反转,U0由+UZ变为-UZ,同相端电位U+由UT+变为UT-。
(2)UC通过T对电容反向放电,使UC减小,当UC减小到略小于UT-,比较器输出电压发生反转,U0由-UZ变为+UZ,同相端电位U+由UT-变为UT+。
3.2三角形波发生器电路
在方波发生电路中,当滞回比较器阈值电压数值比较小时,可将电容两端电压看成为近似三角波。
但是,一方面这个三角波线性度较差,另一方面带负载后将使电路性能产生变化。
实际上,只要将方波电压作为积分运算电路输入,在积分运算输出就得到三角波电压。
如下图所示。
三角波产生电路
3.3电源电路
本设计还要求有电源电路。
稳压电源设计,是根据稳压电源输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求,正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件性能参数,从而合理选择这些器件。
下图为稳压电源.
输出电压可调稳压电源
3.4单元电路计算
3.4.1频率计算公式:
由于R3是可调电阻,可调范围为0~100K,所以频率f可调范围为500~50M。
当可调电阻R3为10K时,达到本次设计要求5KHz。
在本次设计中,为了满足负载需要,在集成运放输出端加稳压管限幅电路,从而获得合适Ut。
为了产生幅度相同矩形波,两个稳压管特性必须相同,如图(6)。
本次设计采用两稳压管反向串接,其中稳压电压为14V,正向导通电压为0.9717V。
所以Uz值为14.9717V。
3.4.2幅度计算公式:
±Ut=±R1Uz/R2
Ut=±14.9717V。
如果电路图仅此而已,如下图所示,则幅度改变话,频率就跟着改变。
如何使调频率和调幅度不相互影响
幅度改变频率就跟着改变信号发生器
对应信号发生器输出波形
可以在输出端Ut处加一跟随器,这样调频和调幅可互不影响。
如下图所示:
调频和调幅可互不影响信号发生器
对应调频和调幅可互不影响信号发生器输出波形
4电路板图设计
4.1总原理图
4.1.1用EWB仿真设计
a.用EWB绘制电路图:
EWB绘制波形发生器
b.用EWB仿真波形图:
EWB绘制波形发生器仿真结果
4.1.2用Protel模拟电路
a.用Protel绘制原理图
b.用Protel绘制原理图ERC检查
c.用Protel绘制原理图生成网络表
d.用Protel绘制PCB板:
用Protel绘制原理图封装PCB板
4.1.3元件清单及封装:
元件序号
型号
主要参数
封装
数量
备注
R1
RES2
10k
AXIAL0.3
1
R2
RES2
15k
AXIAL0.3
1
R3
RES2
10k
AXIAL0.3
1
R4
RES2
2.5k
AXIAL0.3
1
R5
POT2
10k
VR2
1
R6
POT2
8k
VR2
1
R7
POT2
8k
VR2
1
C1
CAP
0.2uF
RAD0.4
1
C2
CAP
100uF
RAD0.4
1
C3
CAP
100uF
RAD0.4
1
D1
DIODESCHOTTKY
DIODE0.4
1
D2
DIODESCHOTTKY
DIODE0.4
1
OPAMP1
OPAMP
DIP6
1
OPAMP2
OPAMP
DIP6
1
OPAMP3
OPAMP
DIP6
1
OPAMP4
OPAMP
DIP6
1
BT1
BATTERY
15v
RAD0.4
1
BT2
BATTERY
15v
RAD0.4
1
BT3
BATTERY
15v
RAD0.4
1
BT4
BATTERY
15v
RAD0.4
1
BT5
BATTERY
15v
RAD0.4
1
BT6
BATTERY
15v
RAD0.4
1
BT7
BATTERY
15v
RAD0.4
1
BT8
BATTERY
15v
RAD0.4
1
5.设计结论
通过本次课程设计,学会了通过使用EWB仿真,产生平时示波器上才有方波和三角波波形。
成功使用集成运放设计一个波形发生器,产生一个频率为fo=5kHz方波,其电压幅度为+Vs=|-Vs|=15V。
同时产生一个频率为fo=5kHz三角波,其幅度为+Vt=|-Vt|=5V。
并通过自己实践,利用Protel软件制作简易波形发生器电路以及PCB板。
这次设计在网上查找资料和老师同学们帮助下,最终达到了设计目,非常感谢老师指导,同时也看到了自己不足。
以后将更加努力,多做才能熟练,本次课程设计将在以后工作中给予巨大启示!
6.参考文献
《电路CAD讲义》.萧宝瑾.太原理工大学.
《电路CAD课程设计》教学大纲(08)
《课程设计报告说明》
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- 电路 CAD 课程设计 波形 发生器
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