課程設(shè)計(jì)——波形發(fā)生器

1、<p><b>　　1.概述</b></p><p>　　波形發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制系統(tǒng)和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測(cè)中具有十分廣泛的用途。通過(guò)對(duì)函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計(jì)一個(gè)能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。本課

2、程采用采用RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過(guò)RC正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過(guò)積分電路形成三角波。</p><p><b>　　2．設(shè)計(jì)方案</b></p><p>　　采用RC正弦波振蕩電路、電壓比較器、積分電路共同組成的正弦波—方波—三角波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。先通過(guò)RC

3、正弦波振蕩電路產(chǎn)生正弦波，再通過(guò)電壓比較器產(chǎn)生方波，最后通過(guò)積分電路形成三角波。文氏橋振蕩器產(chǎn)生正弦波輸出，其特點(diǎn)是采用RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)，其振蕩頻率f=1/2πRC.改變RC的值，可得到不同的頻率正弦波信號(hào)輸出。用集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，將正弦波變換成方波輸出。用運(yùn)放構(gòu)成積分電路，將方波信號(hào)變換成三角波。</p><p><b>　　原理框圖如圖2-1</b></p&g

4、t;<p>　　圖2-1設(shè)計(jì)方案一框圖</p><p><b>　　3. 設(shè)計(jì)原理</b></p><p>　　3.1正弦波產(chǎn)生電路</p><p>　　正弦波由RC橋式振蕩電路（如圖3-1所示），即文氏橋振蕩電路產(chǎn)生。文氏橋振蕩器具有電路簡(jiǎn)單、易起振、頻率可調(diào)等特點(diǎn)而大量應(yīng)用于低頻振蕩電路。正弦波振蕩電路由一個(gè)放大器和一個(gè)帶有選

5、頻功能的正反饋網(wǎng)絡(luò)組成。其振蕩平衡的條件是AF＝1以及ψa+ψf=2nπ。其中A為放大電路的放大倍數(shù)，F(xiàn)為反饋系數(shù)。振蕩開(kāi)始時(shí)，信號(hào)非常弱，為了使振蕩建立起來(lái)，應(yīng)該使AF略大于1。 </p><p>　　放大電路應(yīng)具有盡可能大的輸入電阻和盡可能小的輸出電阻以減少放大電路對(duì)選頻特性的影響，使振蕩頻率幾乎僅決定于選頻網(wǎng)絡(luò)，因此通常選用引入電壓串聯(lián)負(fù)反饋的放大電路。正反饋網(wǎng)絡(luò)的反饋電壓Uf是同相比例運(yùn)算電路的輸入電壓，

6、因而要把同相比例運(yùn)算電路作為整體看成電路放大電路，它的比例系數(shù)是電壓放大倍數(shù)，根據(jù)起振條件和幅值平衡條件有</p><p>　?。≧f=R2+R1//D1//D2） </p><p>　　且振蕩產(chǎn)生正弦波頻率</p><p>　　圖中D1、D2的作用是，當(dāng)Vo1幅值很小時(shí)，二極管D1、D2接近開(kāi)路，近似有Rf＝9.1K＋2.7K＝11.8K，，Av=1+Rf/R

7、1=3.3>=3,有利于起振；反之當(dāng)Vo的幅值較大時(shí)，D1或D2導(dǎo)通，Rf減小，Av隨之下降，Vo1幅值趨于穩(wěn)定。</p><p>　　3-1正弦波產(chǎn)生電路</p><p>　　3.2 正弦波——方波產(chǎn)生電路</p><p>　　如圖,Vo1為正弦信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)遲滯比較器u2后輸出方波Vo2。電路工作原理：運(yùn)放同相端接基準(zhǔn)電壓，即U+=0,反相端輸入電壓Vo1

8、，R8稱為平衡電阻。當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，輸出Vo2從高電平跳到低電平,或從低電平跳到高電平。此時(shí)</p><p>　　由于Vo2=±Vz,可得上、下門限電壓為</p><p>　　正弦波輸入信號(hào)Vo1在上升到Vt+之前，Vo2保持不變，超過(guò)Vt+后Vo2翻轉(zhuǎn)，直到Vo1下降到Vt-，Vo2再翻轉(zhuǎn)，如此反復(fù)便形成Vo2方波輸出。</p><p>　　

9、圖3-2 正弦波——三角波產(chǎn)生電路</p><p>　　3.3 方波——三角波變換電路</p><p>　　圖3-3 方波——三角波變換電路</p><p>　　此電路由反相輸入的過(guò)零比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)RC充、放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。設(shè)某一時(shí)刻輸出電壓Uo=+Uz,則同相輸入端電位Up=+UT。Uo通過(guò)R3對(duì)電容C

10、正向充電，如圖中實(shí)線箭頭所示。反相輸入端電位n隨時(shí)間t的增長(zhǎng)而逐漸增高，當(dāng)t趨于無(wú)窮時(shí)，Un趨于+Uz；但是，一旦Un≥0,Uo從+Uz躍變?yōu)?Uz,與此同時(shí)Up從+Ut躍變?yōu)?Ut。隨后，Uo又通過(guò)R3對(duì)電容C反向充電，如圖中虛線箭頭所示。Un隨時(shí)間逐漸增長(zhǎng)而減低，當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Un趨于-Uz；但是，一旦Un≤0,Uo就從-Uz躍變?yōu)?Uz，Up從-Ut躍變?yōu)?Ut，電容又開(kāi)始正相充電。上述過(guò)程周而復(fù)始，電路產(chǎn)生了自激振蕩。<

11、;/p><p>　　±UT=±R2∕(R6+RW)U02m T=2R6(R6+RW)C3∕R7</p><p>　　運(yùn)放的反相端接基準(zhǔn)電壓，即U-=0，同相輸入端接輸入電壓Uia，R6稱為平衡電阻。比較器的輸出Uo1的高電平等于正電源電壓+Vcc，低電平等于負(fù)電源電壓-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 當(dāng)比較器的U+=U-=0時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)

12、，輸出Uo1從高電平跳到低電平-Vee,或者從低電平Vee跳到高電平Vcc。</p><p>　　由以上公式可得比較器的電壓傳輸特性.</p><p>　　當(dāng)輸入信號(hào)為方波Uo1，則積分器的輸出Uo3為</p><p>　　Uo=+Uz,D5導(dǎo)通,D6截止，Uo3=-1/(R6C)Uz(t1-t0)+Uo(t0)</p><p>　　Uo=-

13、Uz,D6導(dǎo)通,D5截止,Uo3=1/(R6+Rw')Uz(t2-t1)+Uo(t1)</p><p>　　可見(jiàn)積分器的輸入為方波時(shí)，輸出是一個(gè)上升速度與下降速度不相等的占空比可調(diào)的三角波.</p><p>　　經(jīng)計(jì)算，如果選R6=1k,則R7=10K，C=100nF.三角波圖與方波圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 方波與三角波</p&g

14、t;<p>　　3.4正弦波——方波——三角波發(fā)生電路</p><p>　　圖4-5 完整波形發(fā)生器電路圖</p><p>　　3.5 電源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　制作方法是利用橋式整流器與穩(wěn)壓IC搭配適當(dāng)規(guī)格之電容構(gòu)成整流電路，將一般常用之220伏特電源轉(zhuǎn)為±15Vdc之電源，其電路圖如圖8所示，220伏特電源經(jīng)橋式整流器后，利用三端

15、穩(wěn)壓IC7815與7915將電壓值調(diào)整至±15Vdc，其中7815為正電壓調(diào)整器用以穩(wěn)定電壓至＋15V,7915則進(jìn)行負(fù)電壓調(diào)整。</p><p><b>　　圖3-6 供電電路</b></p><p>　　4 主要元器件的工作原理及參數(shù)</p><p><b>　　4.1 變壓器</b></p>

16、<p>　　變壓器是電子電路，用來(lái)升壓降壓的電力變壓器，變壓器的原理是電磁感應(yīng)技術(shù),變壓器有兩個(gè)分別獨(dú)立的共用一個(gè)鐵芯的線圈。分別叫作變壓器的次級(jí)線圈和初級(jí)線圈。</p><p>　　電流的方向和大小隨時(shí)間變化的,變壓器初級(jí)通上交流電時(shí),變壓器的鐵芯中產(chǎn)生了交變的磁場(chǎng)（其中接電源的繞組叫初級(jí)線圈，其余的繞組叫次級(jí)線圈），在次級(jí)就感應(yīng)出頻率相同的交流電壓.變壓器的初次級(jí)線圈的匝數(shù)比等于電壓比。變壓器只能改

17、變交流電壓,不能改變直流電壓,因?yàn)橹绷麟娏魇遣粫?huì)變化的,電流通過(guò)變壓器不會(huì)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，所以次級(jí)線圈只能在直接接通的一瞬間產(chǎn)生一個(gè)瞬間電流和電壓。</p><p><b>　　變壓器的主要參數(shù)：</b></p><p>　　電壓比 n=U1/U2=N1/N2</p><p>　　效 率 η=P2/P1*100%</p><

18、;p><b>　　額定功率 P</b></p><p>　　4.2 橋式整流電路 </p><p>　　橋式整流電路由四個(gè)二極管組成，如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 橋式整流電路</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　U2

19、正半周時(shí): D1、D3導(dǎo)通， D2、D4截止</p><p>　　U2負(fù)半周時(shí)：D2、D4 導(dǎo)通， D1 、D3截止</p><p><b>　　主要參數(shù)：</b></p><p>　　輸出電壓平均值：UL=0.9U2</p><p>　　輸出電流平均值:IL= UL/RL =0.9U2/ RL </p>

20、<p>　　流過(guò)二極管的平均電流：ID=IL/2</p><p>　　二極管承受的最大反向電壓：25V–1000V</p><p><b>　　4.3 三端穩(wěn)壓器</b></p><p>　　該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有電流過(guò)流﹑過(guò)熱和調(diào)整管安全區(qū)保護(hù)電路，以防止過(guò)載而損壞，用它來(lái)組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路簡(jiǎn)單，且安全可靠。</p

21、><p>　　4.4 穩(wěn)壓二極管</p><p>　　穩(wěn)壓器二極管也叫齊納二極管，穩(wěn)壓原理：給穩(wěn)壓二極管施加反向電壓并使其值增大，當(dāng)反向電壓之值達(dá)到穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓時(shí)，其正常雪崩擊穿，若在此情況下，一定范圍內(nèi)改變電源電壓的波動(dòng)或改變負(fù)載電流的大小，齊納電流IZ和動(dòng)態(tài)電阻隨之而改變，然而，齊納電壓UZ卻穩(wěn)定不變。穩(wěn)壓二極管串聯(lián)一個(gè)電阻來(lái)提供一個(gè)穩(wěn)定的參考電壓VREF，其中穩(wěn)壓二極管選用1N

22、4735，其穩(wěn)定電壓為6.2V，限流電阻R13選用1K。穩(wěn)壓二極管1N4735的重要參數(shù)：</p><p><b>　　最大工作電流IZM</b></p><p><b>　　穩(wěn)定電壓UZ</b></p><p><b>　　動(dòng)態(tài)電阻RZ</b></p><p>　　4.5

23、集成運(yùn)算放大器</p><p>　　集成電路運(yùn)算放大器是一種高電壓增益、高輸入電阻和低輸入電阻的多級(jí)直接耦合放大電路，它的種類很多，電路也不一樣，但結(jié)構(gòu)具有共同之處，如下圖4-2表示集成運(yùn)放的內(nèi)部電路組成的原理框圖。</p><p>　　圖4-2 集成運(yùn)放的內(nèi)部 電路組成的原理框圖 </p><p>　　如圖4-2集成運(yùn)放的輸入級(jí)一般是由BIT、JFET或MOSFE

24、T組成的差分式放大電路，利用它的對(duì)稱特性可以提高整個(gè)電路的共模抑制比和其他方面的性能。它的兩個(gè)輸入端構(gòu)成整個(gè)電路的反相輸入端和同相輸入端。電壓放大級(jí)的主要作用是提高電壓增益，它可由一級(jí)或多級(jí)放大電路組成。輸出級(jí)一般由電壓跟隨器或互補(bǔ)電壓跟隨器所組成，以降低輸出電阻，提高帶負(fù)載能力。偏置電路是為個(gè)級(jí)提供合適的工作電流。其代表符號(hào)和輸入輸出傳輸特性如圖4-3所示。 </p><p>　　圖4-3 集成運(yùn)放符號(hào)和傳輸

25、特性</p><p><b>　　5. 心得體會(huì)</b></p><p>　　一周的課程設(shè)計(jì)很快就結(jié)束了，但其過(guò)程可謂曲折艱難，通過(guò)本周的課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到課本上的知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)了思考和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。這是我第一次做課程設(shè)計(jì)，給我留下了很深的印象。雖然只是短暫的一周，但在這期間，卻讓我受益匪淺。</p><p>　　

26、這次課程設(shè)計(jì)讓我認(rèn)識(shí)到了知識(shí)和實(shí)踐的重要性。只有牢固掌握了所學(xué)的知識(shí)，才能有清晰的思路，知道每一步該怎樣走。才能順利的解決每一個(gè)問(wèn)題。就以這次課程設(shè)計(jì)為例，剛拿到題目的時(shí)候，大致看一下要求，根據(jù)平時(shí)所學(xué)的知識(shí)，腦海中就立刻會(huì)想到應(yīng)該用到的元器件，然后再去圖書館去查這些元器件的資料，很快地初步方案以及大概的電路原理圖就出來(lái)了。但是，在具體的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)上，我卻不知道為什么，從而明白了自己基礎(chǔ)知識(shí)掌握得不牢固。還好由老師的指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助，才

27、使我順利的完成此次課程設(shè)計(jì)所以，這次課程設(shè)計(jì)在讓我認(rèn)識(shí)了知識(shí)的重要性之外，更讓我明白了自己理論知識(shí)和實(shí)踐知識(shí)的欠缺，讓我堅(jiān)定了以后努力學(xué)習(xí)知識(shí)的決心。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).浙江大學(xué)出版社，2001年6月</p><p>　　[2] 姚福安，電子電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐.山東科技技

28、術(shù)出版社，2001年10月</p><p>　　[3] 王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)實(shí)踐.東南大學(xué)出版社，1999年10月</p><p>　　[4] 李銀華，電子線路設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京航空航天大學(xué)出版社，2005年6月</p><p>　　[5] 康華光，電子技術(shù)基礎(chǔ).高教出版社，2003</p><p><b>　　附錄一 總電路圖