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课程设计
课程设计报告
设计课题:
设计制作一个产出方波--三角波--正弦波函数发生器
系别:
电子电气工程系
专业:
电气工程及其自动化
班级:
姓名:
学 号:
设计时间:
指导老师:
一.设计题目:
方波——三角波——正弦波函数转换器
二.方案设计与论证
利用模拟电路所学习内容,设计一个函数转换器电路要求产生三种不同的波形,分别为方波—三角波—正弦波。
方波可以由三角波通过滞回比较电路来产生得到,三角波可以由方波通过积分电路来产生得到,正弦波可以由低通滤波电路或者差分电路产生得到。
三.具体内容及要求:
1)产生方波的幅值为4V;
2)产生三角波的占空比可调,峰-峰值为4V;
3)产生正弦波的幅值为±4V;
4)设计各部分电路参数;
5)用Protel软件绘制所设计电路图;
6)用EDA软件或MATLAB软件对所设计电路进行仿真。
7)按要求撰写课程设计报告。
四.电路原理及设计
1.方波发生器
1.1整体电路原理
由集成运放构成的方波发生器,包括迟滞比较电路和RC积分电路两大部分。
电路原理图如下所示。
图4-1-1方波发生电路原理框图
因为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的重要组成部分;因为产生振荡,就是要求输出的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的时间间隔交替变化,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的时间,即RC积分电路。
方波发生电路图如下图所示:
。
图4-1-2方波发生电路图
它由反相输入的滞回比较器和RC积分电路组成。
其中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的自动转换,而输出端引入的限流电阻Ro和两个背靠背的双向稳压管起到了双向限幅的作用
图4-1-3滞回比较曲线
工作原理:
设某一时刻输出电压uO=+UZ,则同相输入端电位uc=+UT。
uO通过R对电容C正向充电。
反相输入端电位uc随时间t增长而逐渐升高,当t趋近于无穷时,uc趋于+UZ;一旦uc=+UT,再稍增大,uO就从+UZ跃变为-UZ,与此同时uc从+UT跃变为-UT。
随后,uO又通过R对电容C放电。
反相输入端电位uc随时间t增长而逐渐降低,当t趋近于无穷时,uc趋于-UZ;一旦uc=-UT,再稍减小,uO就从-UZ跃变当输出U0为高电平时
其中:
反向充电。
而上述过程周而复始,电路产生了输出状态的自动转换,便输出方波。
上述电路输出状态发生跳变的临界条件为:
为+UZ,与此同时,uc从-UT跃变为+UT,电容又开始反向充电。
而上述过程周而复始,电路产生了输出状态的自动转换,便输出方波。
上述电路输出状态发生跳变的临界条件为:
U-=U+
其中:
当输出U0为高电平时:
当输出U0为低电平时:
刚开始振荡建立时,由于电路中的电扰动,并通过正反馈,使输出很快变为高电平或低电平。
电容上电压uC和电路输出电压uO波形如下图所示:
图4-1-4电压传输特性曲线
振荡周期为:
而方波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为RC,而且充电的总幅值也相等,因而在一个周期内uO=+UZ的时间与uO=-UZ的时间相等,即方波T1=T2。
对T1由暂态过程公式:
对充电过程,t=∞时:
t=0时:
即:
得:
则振荡频率:
可知,调整电压比较器的电路参数R1、R2和UZ可以改变方波发生电路的振荡幅值,调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。
3.三角波发生器
产生三角波的基本方法是用恒定的电流给电容器充电或放电。
将方波转化成三角波的基本电路图如下所示:
图4-2-1 三角波发生电路图
因此,可以把滞回比较器和积分器首尾相接形成正反馈闭环系统,如下图所示。
则比较器A1输出的方波经积分器A2积分可得到三角波,三角波又触发比较器自动翻转形成方波,这样即可构成方波-三角波发生器。
图4-2-2方波-三角波发生电路图
可得周期为:
T=T1+T2其中,
输出电压为:
方波-三角波发生电路输出波形如下图所示:
图4-2-3方波-三角波发生电路输出波形
改变分压系数a和积分时常数RC可以调节振荡周期(或频率),却不改变输出的幅值。
通常用RC作频率量程切换,RW作量程内的频率细调。
电路的最高振荡频率取决于积分器A2的压摆率和最大输出电流,最低振荡频率取决于积分漂移。
产生三角波的占空比可调的电路图:
图4-2-4三角波的占空比可调的电路图
原理:
通过调节滑动变阻器触电的位置可以使三角波波形上下移动,而使三角波正负半周时间不等,从而改变三角波占空比D。
(D=T2/T其中T2:
矩形波为高电平时的时间,T:
矩形波的周期)
4.正弦波发生器
正弦波可由三角波通过低通滤波器转换而来。
电路图如下所示
图4-3-1三角波产生正弦波原理图
(a)(b)
图4-3-2正弦波产生电路的基本结构
由图可知,
,
为信号
经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传输后,得到的反馈信号,如果
与
在大小和相位上都一致,那么,就可以使输入信号
,将
直接输入
端,形成如图4-3-2(b)所示的闭环系统,因此,从结构上看,正弦波振荡电路就是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路。
由于
,便有
或
(1)
上式中设
,
,则可得
即
(2)
n=0,1,2,…(3)
式
(2)称为振幅平衡条件,而式(3)则称为相位平衡条件,这是正弦波振荡电路产生持续振荡的两个条件。
值得注意的是,从负反馈放大电路的自激条件(
)或振荡电路的振荡条件(
)可以看出,两者的振幅条件均为1,但相位条件不一样。
三角波-正弦波发生电路输出波形如下图所示
图4-3-3三角波-正弦波产生电路输出波形
五.总电路原理图
1.直流电源部分
通过桥式整流、电容滤波、稳压管稳压直流电源电路将220V的交流电变成+12V和-12V的直流电源:
图一:
直流稳压电源的方框图
2.波形部分
图二:
输出波形电路图
首先将将K1闭合、K2断开进行函数信号发生器电路的联调。
然后K1断开、K2闭合分别进行RC桥式正弦波振荡器和方波、三角波发生器的调试。
1.方波和三角波发生器(K1断开、K2接通)
(1)将RW2调到合适的位置上,用双踪示波器观察V02、V03波形,并记录此时输出波形的波形、幅值、频率及RW2的值。
(2)调整RW2的位置,观察对V02、V03波形频率和幅值的影响。
(3)改变R5(或R6)的值,观察对V02、V03波形、频率和幅值的影响。
2.RC桥式正弦波振荡器
(1)通±12V电源,缓慢调节电位器RW1使电路起振,并定性描绘出V01的波形,仔细调节电位器RW1,使电路输出较好的正弦波形,测出振荡频率和幅度以及相对应的RW1值。
(2)在R1、R2或C1、C2上并接同值电阻或电容,用示波器观察输出电压波形,并测出相应频率,了解振荡频率的调整方法。
(3)将两个二极管断开,观察输出波形有什么变化,并分析D1、D2的稳幅作用。
3.联调(K1接通、K2断开)
用双踪示波器观察V01、V02、V03的波形,开记录相关频率、幅度数据。
用示波器可测得各输出端的波形为:
方波输出波形
三角波输出波形
正弦波输出波形
六.设计心得与体会
通过对产出方波--三角波--正弦波函数发生器的设计,加强了动手、思考和解决问题的能力。
在整个设计过程中,通过这个方案包括设计了一套电路原理和其他类型的各种电路原理。
通过对它们的比较和认识,找到了简单、正确的方法。
使我深刻认识到了“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,我不但知道了以前不知道的理论知识,而且对课本知识得到了进一步的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解,通过这次的学习,更深地理解各种器件的原理及使用规则,对具体的情况做到正确的判断并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
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。
也明白老师为什么要求我们做好这个课程设计的原因。
是它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。
在实验过程中,我遇到了不少的问题。
比如:
波形失真,甚至不出波形这样的问题。
在老师和同学的帮助下,把问题一一解决,那种心情别提有多高兴啦。
实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题,有些理论知识还处于懵懂状态,老师们不厌其烦地为我们调整波形,讲解知识点,实在令我感动。
最后用一句话来结束吧:
“实践是检验真理的唯一标准”。
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