模拟电子电路课程设计正弦波三角波方波函数发生器.docx
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模拟电子电路课程设计正弦波三角波方波函数发生器
适用标准文案
课程设计任务书
学生姓名:
专业班级:
指导教师:
工作单位:
题目:
正弦波-三角波-方波函数发生器
初始条件:
具备模拟电子电路的理论知识;具备模拟电路基本电路的设计能力;具备模拟电路的基本调试手段;自选有关电子器件;能够使用实验室仪器调试。
要求达成的主要任务:
(包含课程设计工作量及其技术要求,以及说明书撰写等详细
要求)
1、频次范围三段:
10~100Hz,100Hz~1KHz,1KHz~10KHz;
2、正弦波Uopp≈3V,三角波Uopp≈5V,方波Uopp≈14V;
3、幅度连续可调,线性失真小;
4、安装调试并达成切合学校要求的设计说明书
时间安排:
一周,此中3天硬件设计,2天硬件调试
指导教师署名:
年月日
系主任(或责任教师)署名:
年月日
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1.综述...........................................................11.1信号发生器概论...................................................1
1.2Multisim简介....................................................2
1.3集成运放lm324简介...............................................3
2.方案设计与论证...............................................4
2.1方案一...................................................4
2.2方案二..................................................4
2.3方案三..................................................5
3.单元电路设计..............................................6
3.1正弦波发生电路的工作原理...............................6
3.2正弦波变换成方波的工作原理.............................8
3.3方波变换成三角波的工作原理.............................9
正负12V直流稳压电源的设计............................10
4.电路仿真................................................12
总波形发生电路............................................12
正弦波仿真................................................13
方波仿真...................................................14
三角波仿真...............................................14
5.实物制作与调试..........................................155.1焊接过程.............................................15
5.2实物图...............................................15
5.3调试波形.............................................18
6.数据记录................................................19
7.课设总结................................................20
8.参照书目................................................21
9.附录....................................................22
本科生课程设计成绩评定表....................................24
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1.综述
1.1信号发生器概论
在人们认识自然、改造自然的过程中,常常需要对各种各种的电子信号进行丈量,因此怎样依据被丈量电子信号的不同特色和丈量要求,灵巧、快速的采纳不同特色的信号源成了现代丈量技术值得深入研究的课题。
信号源主要给被测电路供应所需要的已知信号(各种波形),而后用其余仪表丈量感兴趣的参数。
可见信号源在各种实验应用和实验测试办理中,它不是丈量仪器,而是依据使用者的要求,作为激励源,仿真各种测试信号,供应给被测电路,以知足丈量或各种本质需要。
波形发生器就是信号源的一种,能够给被测电路供应所需要的波形。
传统的波
形发生器多采纳模拟电子技术,由分立元件或模拟集成电路构成,其电路构造复杂,不可以依据本质需要灵巧扩展。
跟着微电子技术的发展,运用单片机技术,经过奇妙
的软件设计和简略的硬件电路,产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。
与现有各种类波形发生器比较而言,产生的数字信号扰乱小,输出稳固,靠谱性高,特别是操作简单方便。
依据用途不同,有产生三种或多种波形的波
形发生器,使用的器件能够是分立器件(如低频信号函数发生器S101所有采纳晶体管),也能够采纳集成电路(如单片函数发生器模块8038)。
信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着宽泛的应用。
各种波形曲线均能够用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。
在测试、研究或调整电子电路及设施时,为测定电路的一些电参量,如丈量频次响应、噪声系数,为电压表定度等,都要求供应切合所定技术条件的电信号,以模拟在本质工作中使用的待测设施的激励信号。
当要求进行系统的稳态特征丈量时,需使用振幅、频次已知的正弦信号源。
当测试系统的瞬态特征时,又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。
而且要求信号源输出信号的参数,如频次、波形、输出电压或功率等,能在必定范围内进行精准调整,有很好的稳固性,有输出指示。
信号源能够依据输出波形的不同,区分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。
正弦信号是使用最宽泛的测试信号。
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此刻,我们经过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出正弦波、方波、三角波的简略发生器。
尽人皆知,制作函数发生器的电路有好多种。
本次设计先经过RC正弦波振荡电路产生正弦波,这是一种频次可调的移相式正弦波发生器电路,其频次稳固一般为
实验所确立,而后能够经过改变电容值来改变再经过电压比较器产生方波,最后通
过积分电路形成三角波。
此电路拥有优秀的正弦波和方波信号。
它的制作成本不高,路简单,使用方便,有效的节俭了人力,物力资源。
信号发生器是电子丈量领域中最基本、应用最宽泛的一类电子仪器。
该函数发
生器要求能输出频次范围可调的正弦波、方波和三角波,能够很好的实现本次试验
的目的,将一些线性和非线性的元件与集成运放组合,输出性能优秀的波形.由正弦
波、方波或三角波的发生器产生相应的信号,经过相互变换实现多种波形的输出。
正弦波能够由RC正弦波振荡电路产生,以后经过过零比较器可产生方波,再积分可得三角波。
经过调理RC振荡电路中的振荡电阻来实现频次可调。
经过调理比率运算电路的反应电阻来实现幅度可调,最后做成要求的函数发生器。
1.2Multisim简介
Multisim是美国国家仪器(NI)有限企业推出的以Windows为基础的仿真工具,合用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描绘语言输入方式,拥有丰富的仿真剖析能力。
1.2.1multisim10概括:
1.经过直观的电路图捕获环境,轻松设计电路。
2.经过交互式SPICE仿真,快速认识电路行为。
3.借助高级电路剖析,理解基本设计特色。
4.经过一个工具链,无缝地集成电路设计和虚构测试。
5.经过改良、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。
直观的捕获和功能强盛的仿真:
NIMultisim软件联合了直观的捕获和功能强盛的仿真,能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和考证。
依靠NIMultisim,能够立刻创立拥有完好组件库的电路图,并利用工业标准SPICE模拟器模拟电路行为。
借助专业的高级SPICE剖析和虚构仪器,能在设计流程中提前对电路设计进行的快速考证,进而缩短建模循环。
与NILabVIEW和SignalExpress软件的集成,完美了拥有强盛技术的设计流程,进而能够比较拥有模拟数据的实现建模丈量。
NIMultisim软件是一个特意用于电子电路仿真与设计的EDA工具软件。
NIMultisim计算机仿真与虚构仪器技术能够很好地解决理论教课与本质着手实验相
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脱节的这一问题。
学员能够很方便地把刚才学到的理论知识用计算机仿真真切的再现出来,而且能够用虚构仪器技术创立出真切属于自己的仪表。
集成运放lm324简介
LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。
与单电源应用处合的标准运算
放大器对比,它们有一些明显长处。
该四放大器能够工作在低到3.0伏或许高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包含负电源,因此除去了在很多应用处合中采纳外面偏置元件的必需性。
每一组运算放大器可用
图1所示的符号来表示,它有5个引出脚,此中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-(-)为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+(+)为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位同样。
图1.3lm324引脚连结图
LM324系列由四个独立的,高增益,内部频次赔偿运算放大器,此中专为从单电源供电的电压范围经营。
从分裂电源的操作也有可能和低电源电流耗费是独立的电源电压的幅度。
应用领域包含传感器放大器,直流增益模块和所有传统的运算放大器能够更容
易地在单电源系统中实现的电路。
比如,可直接操作的LM324系列,这是用来在数字系统中,轻松地将供应所需的接口电路,而无需额外的±15V电源标准的5V电源电压。
重点词:
正弦波方波三角波函数信号发生器multisim
2.方案设计与论证
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2.1方案一
图2.1方案一
本方案先产生方波—三角波,再将三角波变换成正弦波的电路设计方法,电路
框图如图2.1。
用迟滞比较器与反相积分器首尾相串连构成方波-三角波产生电路,
而后,采纳差分放大器,作为三角波—正弦波变换电路利用差分对管的饱和与截止
特征进行变换,差分放大器拥有工作点稳固,输入阻抗高,抗扰乱能力较强等长处。
特别是作为直流放大器时,能够有效地克制零点漂移,所以可将频次很低的三角波
变换成正弦波。
波形变换的原理是利用差分放大器传输特征曲线的非线性。
此电路
的输出频次就是方波-三角波产生电路的频次,将正弦波用比较器进行比较产生方
波,调理比较电位,使得方波的占空比能够改变。
但在本质操作中难以调试出正弦
波,原由是差分电路难以达到绝对的对称。
故未采纳此方案。
2.2方案二
图方案二
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本方案中正弦波与三角波的产生与方案二同样,用迟滞比较器与反相积分器首尾相串连构成方波-三角波产生电路,但三角波到正弦波的变换电路采纳的是有源RC二阶低通选频电路,电路框图如图2.2。
此电路构造、思路简单,运转时性能稳固且能较好的切合设计要求,可是因为有源RC二阶低通滤波电路中的电容是与输出端相接,相当于形成一正反应,若正反
馈过大,可能惹起滤波器自激,故未予采纳。
2.3方案三
正弦波方波三角波
RC正弦波振荡电路过零比较器积分电路
图2.3方案三
RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同构成的正弦波—方波—三角波
函数发生器的设计方法,电路框图如图2.3。
先经过RC正弦波振荡电路产生正弦波,
再经过电压比较器产生方波,最后经过积分电路形成三角波。
此电路拥有优秀的正
弦波和方波信号。
正弦波振荡电路是一种自己振荡电路,其本质是放大器引正反应
的结果。
由放大电路、正反应网络和选频网络构成。
它没有输入信号,而是经过电
路中的噪声经过选频产生。
该方案思路清楚,产品易制作,本次实验课设我们采纳
该方案。
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3.单元电路设计
3.1正弦波发生电路的工作原理
3.1.1产生正弦振荡的条件:
正弦波产生电路的目的就是使电路产生必定频次和幅度的正弦波,我们一般在放大电路中引入正反应,并创立条件,使其产生稳固靠谱的振荡。
正弦波产生电路的基本构造是:
引入正反应的反应网络和放大电路。
此中:
接入正反应是产生振荡的首要条件,它又被称为相位条件;产生振荡一定知足幅度条件;要保证输出波形为单调频次的正弦波,一定拥有选频特征;同时它还应拥有稳幅特征。
所以,正弦波产生电路一般包含:
放大电路;反应网络;选频网络;稳幅电路个部分。
3.1.2正弦波振荡电路的构成判断及分类:
(1)放大电路:
保证电路能够有从起振到动向均衡的过程,电路获取必定幅值的输出值,实现自由控制。
(2)选频网络:
确立电路的振荡频次,是电路产生单调频次的振荡,即保证电路产生正弦波振荡。
(3)正反应网络:
引入正反应,使放大电路的输入信号等于其反应信号。
稳幅环节:
也就是非线性环节,作用是输出信号幅值稳固。
3.1.3判断电路能否振荡的方法:
(1)能否知足相位条件,即电路能否正反应,只有知足相位条件才可产生振荡。
(2)放大电路的构造能否合理,有无放大能力,静态工作能否适合;
(3)能否知足幅度条件。
3.1.3正弦波振荡电路查验:
(1)
则不行能振荡;
(2)
振荡,但输出波形显然失真;
(3)
产生振荡。
振荡稳固后
。
此种状况起振简单,振荡稳固,
输出波形的失真小。
3.1.3分类:
按选频网络的元件种类,把正先振荡电路分为:
RC正弦波振荡电路;LC正弦波振荡电路;石英晶体正弦波振荡电路。
3.1.4RC正弦波振荡电路:
常有的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路,它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。
串并联网络在此作为选频和反应网络。
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图3.1RC桥式正弦波振荡电路
RC桥式正弦波振荡电路的构成以下图。
当wwo
1
时,RC选频网络
RC
的相移为零,这样RC串并联选频网络送到运算放大器同向输入端的信号电压
Vi
与输出电压Vo同相,所以RC反应网络形成正反应,知足相位均衡条件。
为使
在震荡成立时期信号做增幅震荡,应选择
R1和R2可使Af≥3,保证
。
所以它的起振条件为:
;它的振荡频次为:
。
它主要用
于低频振荡。
要想产生更高频次的正弦信号,一般采纳LC正弦波振荡电路。
它
的振荡频次为:
。
别的,石英振荡器的特色是其振荡频次特别稳
定,它常用于振荡频次高度稳固的的场合。
RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠两个并联的二极管构成的,当输出信号较小时,二极管工作电流小,动向电阻大,电路的增益较大,惹起增幅震荡过程。
当输出幅度达到必定程度,二极管工作电流大,动向电阻小,电路的增益降落,电路的输出电压幅值将不再上涨,进而使输出电压稳固,以此来达到稳幅的目的。
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3.2正弦波变换成方波的工作原理
3.2.1电压比较器的功能
电压比较器是用来比较两个电压大小的电路,它的输入信号是模拟电压,输
出信号一般是只有高电平易低电平两个稳固状态的电压。
利用电压比较器可将各
周期性信号变换成矩形波。
3.2.2过零比较器
参照电压为零的比较器称为过零比较器。
按输入方式的不同可分为反相输入
和同相输入两种过零比较器,往常用阈值电压和传输特征来描绘比较器的工作特
性。
阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值,简
称为阈值,用符号UTH表示。
图3.2.1过零比较器
本电路中该电路的作用是将正弦信号转变为方波信号,其传输特征曲线以下列图所示:
图传输特征曲线
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方波变换成三角波的工作原理
方波经过积分器就变为了三角波。
可是此电路要求前后电路的时间常数配合好,
不可以让积分器饱和。
图积分电路原理
Vo-Vi为积分关系,负号表示输入和输出信号相位相反。
当Vi为定值时,电
容将恒流充电,输出电压为:
VoVit
RC
当积分器输入信号为方波时,其输出信号为三角波,电路波形图以下:
图三角波发生器工作波形
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图积分电路仿真图
3.4正负12V直流稳压电源的设计
直流稳压电源是一种将220V工频沟通电变换成稳压输出的直流电压的装置,它
需要经过变压、整流、滤波、稳压四个环节才能达成。
3.4.1设计原理
直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所构成,基本
框图以下图:
图直流稳压电源设计框图及波形
3.4.2各部分作用
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1、电源变压器T:
作用是将电网220V的沟通电压变换成整流滤波电路所需要
的沟通电压Ui。
2、整流电路:
整流电路将沟通电压Ui变换成脉动的直流电压。
再经滤波电路
滤除较大的纹波成分,输出纹波较小的直流电压U1。
3、滤波电路:
经整流后的直流输出电压脉动性很大,不可以直接使用,为减少其
沟通成分,常在整流电路后接滤波电路。
滤波电路的主要任务是将整流后的单向脉
动直流电压中的纹波滤除去,使其输出光滑的直流电压,这里我们采纳接入滤波电
容来构成滤波电路。
4、稳压电路:
常用的稳压电路有两种形式:
一是稳压管稳压电路,二是串连型
稳压电路。
两者的工作原理有所不同。
稳压管稳压电路其工作原理是利用稳压管两
端的电压稍有变化,会惹起其电流有较大变化这一特色,经过调理与稳压管串连的
限流电阻上的压降来达到稳固输出电压的目的。
3.4.3详细电路设计
在整流电路中我们采纳全波整流桥,该电路的整流成效和输出电压波形为单项
半波整流的两倍,在稳压电路中采纳CW7812和CW7912型号的这两个集成稳压器芯
片构成的拥有同时输出固定的+12V、-12V电压的稳压电路。
该电路对称性好,温度
特征也近似一致。
图直流稳压电源电路图
3.4.4稳压电源的性能指标及测试方法
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稳压电源的技术指标分为两种:
一种是特征指标,包含同意输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调理范围等;另一种是质量指标,用来权衡输出直流
电压的稳固程度,包含稳压系数(或电压调整率)、输出电阻(或电流调整率)、纹波电压(纹波系数)及温度系数。
4.电路仿真
总波形发生电路
图4.1正弦波-方波-三角波函数发生器
该电路分为三部分,第一部分为RC桥式正弦振荡电路,其功能是利用RC振荡产生特定频次的正弦波;第二部分为过零电压比较器电路,其功能为将正弦波转成
方波;第三部分为积分电路,其功能为利用积分电路将方波转成三角波;别的,在积分电路以前设置一个电压跟从器,起到隔绝作用,使过零电压比较器电路与积分电路不相互影响。
确立电路元器件参数:
稳压管的作用是限制和确立方波的幅度,所以方波正负
半周的对称性与稳压管性能有关。
所以采纳稳压管时,要选择性能好一些的两个管
性能对称的稳压管,最好采纳双向稳压管;R3是稳压管的限流电阻,阻值依据稳压
管的电路确立;Rp1和Rp2给比较器供应门限电平,他们能够决定三角波的幅值.所以Rp1和R2的值应依据三角波的幅值决定。
一般为了使三角波的幅值可调,常用电位器作为Rp1、Rp2和电容C的值决定三角波的频次f。
一般是Rp1和R2的值确立后,能够先确立电容C的值,而后由f。
=R2/(4Rp2Rp1C)来确立R4的值.Rp2若采
用电位器,则三角波频次可调。
为了减小积分漂移,电容C的值尽量取大些,可是
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C值越大漏电也越大,所以一般C不超出1uF;集成运放的选择用于比较器的运放要求速度应当高些。
经过改变反应网络中的变阻RP3的阻值能够改变正弦波的输出波形的幅值;以后方波的输出波形也随之确立;经过改变变阻RP4的阻值能够改变三角波的输出波形的幅值。
4.2正弦波仿真
在变阻RP1、RP2百分比分别为50%,RP3百分比为25%,示波器输出的波形以下列图所示。
图4.2正弦波仿真视图
由图可知T1的时间为1.315s,通道A为-1.660V。
T2的时间为1.338s,通道A
为。
由此可知仿真出的正弦波的幅值为:
;峰-峰值为:
;周期为。
4.3方波仿真
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图4.3方波仿真视图
由图可知T1的时间为,通道A为-6.834V。
T2的时间为,通道A为。
由此可知仿真出的正弦波的幅值为:
;峰-峰值为:
;周期为。
4.4三角波仿真
图4.4三角波仿真视图
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由图可知T1的时间为5.516s,通道A为-2.554V。
T2的时间为5.180s,通道A
为。
由此可知仿真出的正弦波的幅值约为:
;峰-峰值为:
;
周期为。
5.实物制作与调试
5.1焊接过程
1、在排版排线时注意疏密得体,各线方向最好一致,各个焊点之间独立,免得造成线路短路。
2、焊接电路时,注意焊接达成后,将烙铁头放回原位并关掉电源,防止造成旁人不经意受伤
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