正弦波三角波函数发生器.docx

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正弦波三角波函数发生器

XXX学校

XXX学院

综合课程设计

设计题目

专业名称

班级学号

学生姓名

指导教师

设计时间

2012.12.17~2013.1.4

课程设计任务书

专业：

学号：

学生姓名（签名）：

设计题目：

一、设计实验条件

XXX实验室

Proteus软件

Multisim软件

二、设计任务及要求

1.实现频率为10kHz，峰峰值±5v的正弦波到三角波的变换；

2.整体电路由模拟器件产生；

3.实现三种不同电路产生。

三、设计报告的内容

1.设计题目与设计任务（设计任务书）

2.前言（绪论）（设计的目的、意义等）

3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等）

4.结束语（设计的收获、体会等）

5.参考资料

四、设计时间与安排

1、设计时间：

2周

2、设计时间安排：

熟悉实验设备、收集资料：

天

设计图纸、实验、计算、程序编写调试：

天

编写课程设计报告：

天

答辩：

天

1、

前言

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电路或仪器。

根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件（如低频信号函数发生器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8038）,它是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。

 在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。

信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。

它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、宇航等领域。

为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本设计报告由三种方法实现了正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。

现今世界中电子技术与电子产品的应用越加广泛，人们对电子技术的要求也越来越高。

因此如何根据实际要求设计出简便实用的电子技术物品便显得尤为重要。

灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。

能将简单的易获取的信号转换为自己所需的复杂信号是一项必不可少的技术。

我们有必要做好这相关方面的研究，为被测电路提供所需要的信号及各种波形，以便完成各种相关试验。

信号源在各种试验应用和实验测试处理中，仿真各种测试信号，提供给被测电路，用来满足实验的各种要求。

本文所设计的波形发生器就是信号源的一种，采用集成运算放大器、电阻和电容组成简单的电路，实现波形的产生和转换。

作为电子专业的学生，对函数信号发生器的设计、仿真、制作是一项最基本的实践技能，也是一种很好的锻炼机会，是一种综合能力的锻炼，它涉及到基本电路原理的知识，Mutisim仿真软件的使用，以及电路的搭建，既考验了基本知识的掌握程度，又加强了实践。

2、设计主体

我们采用了三种方法进行了波形的变换，分别为限幅器加RC积分电路构成的波形变换电路、由放大器构成的滞回比较器与积分电路构成的波形变换电路、由555定时器构成的施密特触发器与放大器构成的积分电路的波形变换电路。

从整体上来看，三种电路均是先将正弦波变换成方波，然后将方波积分成为三角波，下面分别介绍三种电路。

2.1方案一：

限幅器加RC积分电路构成的波形变换电路

输入峰峰值5v，频率10kHz的正弦波，用二极管1N4148进行限幅，然后通过RC积分电路输出三角波整体电路图如图1所示

图1整体电路图

1N4148的正向导通电压为0.7v，根据计算，正弦曲线在在2V处的曲线斜率为4.5，可见0~2V内有很好的倾斜特性，限幅输出的波形倾斜角接近于矩形波，如图2所示。

矩形波通过RC积分电路，输出为三角波，波形如图3所示。

积分电路的时间常数选为0.08ms。

如果将RC电路的电容两端作为输出端，电路参数满足τ>>tp的条件，则成为积分电路。

由于这种电路电容器充放电进行得很慢，因此电阻R上的电压ur（t）近似等于输入电压ui（t），其输出电压uo（t）为：

上式表明，输出电压uo（t）与输入电压ui（t）近似地成积分关系，仿真波形如图3所示。

图2仿真波形图

RC积分电路动态过程：

1）t=t1时，Vi由0->Vm，因为电容两端的电压不能突变，所以此时Vo=Vc=0;

2）t1tw,电容充电非常缓慢.

3）t=t2时，VI由Vm→0，相当于输入端被短路，电容原先充有左正右负电压VI（VI>tW，即充电时间很长，使得充电电压未来得及充到Vm最大电压，就开始放电了）经R缓慢放电，VO（VC）按指数规律下降。

这样，输出信号就是锯齿波，近似为三角形波，τ>>tW是本电路必要条件，因为他是在方波到来期间，电容只是缓慢充电，VC还未上升到Vm时，方波就消失，电容开始放电，以免电容电压出现一个稳定电压值，而且τ越大，锯齿波越接近三角波。

输出波形是对输入波形积分运算的结果，他是突出输入信号的直流及缓变分量，降低输入信号的变化量。

这样的积分电路配合施密斯触发器的应用便可以得到标准矩形波的延时电路。

图3仿真波形文件

2.2方案二：

放大器构成的滞回比较器与积分电路构成的波形变换电路

输入峰峰值5v，频率10kHz的正弦波，由放大器构成的施密特触发器可将正弦波变为方波，方波输入到放大器构成的积分电路，输出为三角波，整体电路如图4所示。

图4整体电路图

2.2.1、滞回比较器都成电路如图5所示

图5滞回比较器电路图

运放如图有两个输入端a（反相输入端），b（同相输入端）和一个输出端o。

也分别被称为倒向输入端非倒向输入端和输出端。

当电压U-加在a端和公共端（公共端是电压为零的点，它相当于电路中的参考结点。

）之间，且其实际方向从a端高于公共端时，输出电压U实际方向则自公共端指向o端，即两者的方向正好相反。

当输入电压U+加在b端和公共端之间，U与U+两者的实际方向相对公共端恰好相同。

为了区别起见，a端和b端分别用"-"和"+"号标出，但不要将它们误认为电压参考方向的正负极性。

电压的正负极性应另外标出或用箭头表示。

运放的供电方式分双电源供电与单电源供电两种。

对于双电源供电运放，其输出可在零电压两侧变化，在差动输入电压为零时输出也可置零。

采用单电源供电的运放，输出在电源与地之间的某一范围变化。

方波输出信号的幅度发生在输入电压的两个临限值Vu及Vi的边缘上，其中Vu与Vi值得大小由下面的式子决定。

Vu=Vr+[R2/（R1+R2）]*（Vo-Vr）

Vl=Vr-[R2/（R1+R2）]*（Vo+Vr）

式中，Vo=Vz+Vd

当输入信号Vi>Vu时，输出端将呈现低电平-Vo.。

当Vi

对任意波形的输入，只要电压的幅度超过磁滞电压Vh=Vu-Vl，即可获得方波。

最终的波形如图6所示。

图6仿真波形图

2.2.2放大器构成的积分电路为：

当输出Vo2（t）达到最大值时，作为比较器的A1，其输出电压Vo1应为负值，即为-（Vz+Vd）=-Vo因此，根据重叠定理，A1正相输入端的电压Vi为Vi=-R2/（R1+R2）*Vo1+R1/（R1+R2）*Vo2

当Vi上升到Vr时，比较器将改变状态，即Vo1=+Vo。

此时，VO2（t）也开始相对地降低。

因此，三角波的峰值Vmax发生于Vi=Vr时，代入上面的式子，即可获得Vmax=Vr*（R1+R2）/R1+Vo*R2/R1相对地，三角波的最低电压应为Vmin=Vr*（R1+R2）/R1-Vo*R2/R1

故三角波的振幅为Vmax-Vmin=2Vo*R2/R1而其平均值很显然的处于Vr*（R1+R2）/R1的直流电平上。

若Vr=0，则波形将在+Vo*R2/R1与-Vo*R2/R1之间变动。

图7放大器构成的积分电路

积分结果的波形如图8所示。

图8仿真波形图

2.3、555定时器构成的施密特触发器与放大器构成的积分电路的波形变换电路

由555定时器构成施密特触发器，将输入的输入峰峰值5v，频率10kHz的正弦波变成方波，然后将方波积分成为锯齿波，整体电路图如图9所示。

图9整体电路图

其中的555定时器构成施密特触发器：

它含有两个电压比较器，一个基本RS触发器，一个放电开关T，比较器的参考电压由三只5KΩ的电阻器构成分压，它们分别使高电平比较器C1同相比较端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为Vcc32和Vcc31。

C1和C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号输入并超过Vcc32时，触发器复位，555的输出端3脚输出低电平，同时放电，开关管导通；当输入信号自2脚输入并低于Vcc31时，触发器置位，555的3脚输出高电平，同时放电，开关管截止。

DR是复位端，当其为0时，555输出低电平。

平时该端开路或接Vcc。

Vco是控制电压端（5脚），平时输出Vcc32作为比较器A1的参考电平，当5脚外接一个输入电压，即改变了比较器的参考电平，从而实现对输出的另一种控制，在不接外加电压时，通常接一个0.01Fµ的电容器到地，起滤波作用，以消除外来的干扰，以确保参考电平的稳定。

T为放电管，当T导通时，将给接于脚7的电容器提供低阻放电电路

图10555定时器内部电路图

如图所示，当Vi=0时，由于V11=V12=Vi=0,电压比较器C1输出高电平，C2输出低电平；基本RS触发器被置“1”态；则Vi=1，当Vi继续上升，但在未达到2/3Vcc以前，VO=1不会变。

当Vi升高到2/3Vcc时，电压比较器C1输出低电平，C2输出高电平；基本RS触发器被置“0”态；则VO=0，此后，Vi继续上升到Vcc，然后再降低，但在降低未达到1/3Vcc以前，VO=0的状态同样也不会改变。

当Vi下降到1/3Vcc时，电压比较器C1输出高电平，C2输出低电平；基本RS触发器被置“1”态；则VO=1，此后，vi继续下降到0，然后再上升，但在未达到2/3Vcc以前，VO=1的状态不会改变。

仿真波形如图11所示。

图11仿真波形图

2.4三种方案比较

第一种方案采用二极管作为限幅电路，积分电路采用RC积分电路，电路结构简单，将正弦波限幅成为方波，波形不太理想。

方案二和方案三积分电路相同，均为放大器组成的，有外接元件少，组成的电路结构清晰易懂、电路性能好：

放大倍数高，共模抑制比高，输入阻抗高，输出阻抗低，温度特性好、各种性能的集成运放应有尽有，使得设计各种功能电路十分简单、集成度高，功耗低，体积小，可靠性高、易于大规模生产，价格低廉等优点，方案二的施密特触发器由运算放大器组成，方案三的施密特触发器由555定时器组成，。

555定时器是一种多用途的中规模集成电路，该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容原件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器，方案三输出的矩形波只有正脉冲信号，而方案三的由正负脉冲构成。

3、结束语

在这一周的课程设计时间里，我们一组积极地到图书馆和网上查询相关的知识，并经常交流存在的问题。

因此，我们对通信原理这门课程有了更为深入的了解。

这次课设所用到的知识不仅和通信原理相关，也和以前学习的模拟电路和数字电路等有很密切的关系，由此认识到各类学科之间是相互关联的，在学习时，我们不能仅仅局限于这一门学科，要彼此进行联系。

这次课程设计虽然短暂但是对于我来说意义很大。

首先，通过这次的课设提高了我的独立思考的能力，使我在逻辑电路的分析与设计上有了很大的进步。

加深了我对组合逻辑电路与时序逻辑电路的认识。

另外，我还更加充分的认识到，模拟电路以及数字电路在科学发展中的至关重要性。

其次，查阅参考书和独立思考的能力的培养非常重要，我们在设计电路时，遇到很多不理解的东西或者记得不清楚的东西，有的我们通过查阅参考书弄明白，有的通过网络查到。

最后，相互讨论共同研究也是很重要的，经常出现一些问题，开始并不理解余弦波波—三角波发生器的原理，但是和同学讨论后，理解了方波三角波发生器的基本原理，很快的根据电路原理图对其进行仿真。

在此期间，我不仅学到了许多新的知识，而且也开阔了视野，提高了自己的设计能力。

4、参考资料

[1]蔡锦福.运算放大器原理与应用.北京.科学出版社，2005.07 

[2]伍时和.数字电子技术基础.清华大学出版社,2009.04

[3]吴友宇.模拟电子技术基础.清华大学出版社,2009.04

[4]李响初.数字电路基础与应用.机械工程出版社,2008.10