方波三角波正弦波函数发生器设计Word格式文档下载.docx
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3.4三角波---正弦波转换电路8
3.5总电路图9
3.6电路的参数选择及计算10
3.6.1.比较器A1与积分器A2元器件10
3.6.2.方波——三角波中电容C1变化10
4安装电路并调试电路11
4.1总电路的安装与调试11
4.2电路仿真11
4.2.1Multisim仿真软件简介11
4.2.2方波---三角波发生电路的仿真13
4.2.3三角波---正弦波发生电路的仿真14
5课题总结及问题14
5.1课程总结14
5.2设计所遇问题15
心得体会15
参考文献17
致谢18
1引言
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、导航、宇航等领域。
随着科学技术的发展,电子技术越来越来受到人们的关注,人们在追求功能齐全的电子产品的同时也越来越关注电子产品的易携带性、体积、质量、易于维修等。
函数发生器将朝着集成化的方向发展,集成电路具有所用元件数量少、质量轻、体积小、便于携带、易于维修、易于调试、便于快速大规模生产的特点。
1.1设计目的与任务
掌握常用元器件的识别和测试熟悉常用仪表;
了解电路调试的基本方法。
培养综合应用所学知识来指导实践的能力。
掌握电子系统设计方法,善于总结和思考,独立完成设计方波——三角波——正弦波函数信号发生器的任务。
1.2设计要求
设计并制作一个能产生方波、三角波及正弦波信号输出的波形发生器,并在WindowsXP系统中用MultiSim9软件进行仿真验证。
1、输出的各种波形工作频率范围1Hz~100KHz连续可调;
2、正弦波幅值土10V,失真度小于1.5%;
3、方波幅值10V;
4、三角波峰-峰值20V;
各种输出波形幅值均连续可调。
2方案论证与比较
2.1电路实现方案一
信号产生电路的模拟电路实现方案,也有几种电路方式可供选择。
如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,再经过积分电路产生三角波。
如电路框图2.1所示。
图2.1模拟电路产生方案
这种电路结构简单,并具有良好的正弦波和方波信号。
但要通过积分器电路产生同步的三角波信号,存在较大的难度。
原因是积分电路的积分时间常数通常是不变的,而随着方波信号频率的改变,积分电路输出的三角波幅度将同时改变。
若要保持三角波输出幅度不变,则必须同时改变积分时间常数的大小,要实现这种同时改变电路参数的要求,实际是比较困难的。
2.2电路实现方案二
图2.2由8038构成简易函数发生器
第二种方案是采用8038集成函数发生器产生正弦波、方波和三角波,如图2.2所示,其震荡频率可通过外加的直流电压进行调节,所以是压控集成信号产生器。
其特点是:
元器件少、图简单、调试方便、较为精确。
2.3电路实现方案三
由三角波、方波发生器产生三角波和方波信号,然后通过有损积分器,即低通滤波器,将三角波信号转换成正弦波信号。
如图2.3
方波
图2.3方案三设计方案
其中对于方案二,ICL8038是单片集成函数发生器,其内部原理电路框图如图2.4。
ICL8038由恒流源I1、I2,电压比较器C1、C2和触发器等组成。
电压比较器C1、C2的门限电压分别为2VR/3和VR/(VR=VCC+VEE),电流源I1和I2的大小可通过外接电阻调节,且I2必须大于I1。
当触发器的Q端输出为低电平时,它控制开关S使电流源I2断开。
而电流源I1则向外接电容C充电,使电容两端电压VC随时间线性上升,当VC上升到VC=2VR/3时,比较器C1输出发生跳变,使触发器输出端Q由低电平变为高电平,控制开关S使电流源I2接通。
由于I2>
I1,因此电容C放电,vc随时间线性下降。
当vc下降到vc≤VR/3时,比较器C2输出发生跳变,使触发器输出端Q又由高电平变为低电平,I2再次断开,I1再次向C充电,vc又随时间线性上升。
如此周而复始,产生振荡,若I2=2I1,vc上升时间与下降时间相等,就产生三角波输出到脚3。
而触发器输出的方波经缓冲器输出到脚9。
三角波经正弦波变换器变成正弦波后由脚2输出。
因此,ICL8038能输出方波、三角波和正弦波等三种不同的波形
其中,振荡电容C由外部接入,它是由内部两个恒流源来完成充电放电过程。
恒流源2的工作状态是由恒流源1对电容器C连续充电,增加电容电压,从而改变比较器的输入电平,比较器的状态改变,带动触发器翻转来连续控制的。
当触发器的状态使恒流源2处于关闭状态,电容电压达到比较器1输入电压规定值的2/3倍时,比较器1状态改变,使触发器工作状态发生翻转,将模拟开关K由B点接到A点。
由于恒流源2的工作电流值为2I,是恒流源1的2倍,电容器处于放电状态,在单位时间内电容器端电压将线性下降,当电容电压下降到比较器2的输入电压规定值的1/3倍时,比较器2状态改变,使触发器又翻转回到原来的状态,这样周期性的循环,完成振荡过程。
在以上基本电路中很容易获得3种函数信号,假如电容器在充电过程和在放电过程的时间常数相等,而且在电容器充放电时,电容电压就是三角波函数,三角波信号由此获得。
由于触发器的工作状态变化时间也是由电容电压的充放电过程决定的,所以,触发器的状态翻转,就能产生方波函数信号,在芯片内部,这两种函数信号经缓冲器功率放大,并从管脚3和管脚9输出。
适当选择外部的电阻RA和RB和C可以满足方波函数等信号在频率、占空比调节的全部范围。
因此,对两个恒流源在I和2I电流不对称的情况下,可以循环调节,从最小到最大,任意选择调整,所以,只要调节电容器充放电时间不相等,就可获得锯齿波等函数信号。
正弦函数信号由三角波函数信号经过非线性变换而获得。
利用二极管的非线性特性,可以将三角波信号的上升成下降斜率逐次逼近正弦波的斜率。
ICL8038中的非线性网络是由4级击穿点的非线性逼近网络构成。
一般说来,逼近点越多得到的正弦波效果越好,失真度也越小,在本芯片中N=4,失真度可以小于1。
在实测中得到正弦信号的失真度可达0.5左右。
其精度效果相当满意。
所以方案二是相对比较满足要求的,但是由于Multisim9中没有8038芯片,因此我选择方案三,方案三有以下特点:
1.线性良好、稳定性好;
2.频率易调,在几个数量级的频带范围内,可以方便地连续地改变频率;
3.三角波和方波在半周期内是时间的线性函数,易于变换其他波形。
综合上述分析,我们采用了第三种方案来产生信号。
3基本原理
3.1函数发生器的组成
函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。
电路形式可以采用由运放及分离元件构成;
也可以采用单片集成函数发生器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的函数发生器,本课题介绍方波、三角波、正弦波函数发生器的方法。
函数信号发生器是是由基础的非正弦信号发生电路和正弦波形发生电路组合而成。
下面我们将分别对各个波形的发生进行分析,从而达到在合成电路时使电路更加合理。
3.2方波发生电路部分的工作原理
此电路由反相输入的滞回比较器和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、放电实现输出状态的自动转换。
设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+Ut。
Uo通过R3对电容C正向充电。
反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高,当t趋于无穷时,Un趋于+Uz;
但是,一旦Un=+Ut,再稍增大,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。
随后,Uo又通过R3对电容C反向充电。
Un随时间逐渐增长而减低,当t趋于无穷大时,Un趋于-Uz;
但是,一旦Un=-Ut,再减小,Uo就从-Uz跃变为+Uz,Up从-Ut跃变为+Ut,电容又开始正向充电。
上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
3.3方波---三角波转换电路的工作原理
图3.1方波—三角波产生电路
如图3.1,为方波—三角波产生电路,在这个电路中,是由两部分组成,左边是一个电压比较器,右边则是一个积分器。
两部分电路连成一体,互相作用、互相影响,从而产生方波和三角波两种波形。
工作原理如下:
若a点断开,运算放大器A1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器,C1为加速电容,可加速比较器的翻转。
运放的反相端接基准电压,即U-=0,同相输入端接输入电压Uia,R1称为平衡电阻。
比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc,低电平等于负电源电压-Vee(|+Vcc|=|-Vee|),当比较器的U+=U-=0时,比较器翻转,输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。
设Uo1=+Vcc,则
将上式整理,得比较器翻转的下门限电位Uia-为
若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为
比较器的门限宽度
a点断开后,运放A2与R4、RP2、C2(即上文C1)及R17组成反相积分器,其输入信号为方波Uo1
则积分器+的输出Uo2为
由此得出:
时,
可见积分器的输入为方波时,输出是一个上升速度与下降速度相等的三角波
A点闭合,既比较器与积分器首尾相连,形成闭环电路,则自动产生方波-三角波。
见图3.2。
三角波的幅度为
三角波幅值公式可以从上面推出。
那么方波-三角波的1/4周期t,满足
由此得出,
方波-三角波的频率f为
由以上两式可以得到以下结论:
电位器Rp2在调整方波-三角波的输出频率时,不会影响输出波形的幅度。
若要求输出频率的范围较宽,可用C1改变频率的范围,Rp2实现频率微调。
方波的输出幅度应等于电源电压+Vcc。
三角波的输出幅度应不超过电源电压+Vcc。
电位器Rp1可实现幅度微调,但会影响方波-三角波的频率。
3.4三角波---正弦波转换电路
本人查阅了多种资料,发现大部分三角波转换正弦波电路都如图所示,即差分放大电路,见图3.3。
但是此方法出来的正弦波失真度比较大,不能满足课题要求。
因此我采用下面的电路,即一个有源低通滤波器,可以得到标的正弦波形。
如图3.4所示
图3.3差分放大电路产生正弦波
图3.4低通滤波电路产生正弦波
滤波电路是一种能使有用频率通过,同时抑制无用成份的电路,由集成运算放大器,电阻和电容可组成有源滤波器。
其中有源低通滤波器能让低频信号通过而高频信号不能通过。
无源滤波器用的是过滤的方式,有源滤波器用的是补偿的方式,就是输出反向的谐波电流来“抵消”负荷的谐波电流。
对于图中有损积分器,满足
如果具有跃变不连续点的信号通过低通滤波器传输,则不连续点在输出将被圆滑,产生渐变,这是由于信号随时间的急剧改变意味着包含许多高频分量,较平坦的信号则主要包含低频分量,低通滤波器滤除了一些高频分量。
对于方波,经过滤除高频分量产生正弦波形。
3.5总电路图
根据以上方波,三角波,正弦波分电路连接总电路图,见图3.5。
总电路图包括三部分,电压比较器与积分器产生方波与三角波,波形经过有源低通滤波器产生正弦波。
波形的幅值变化及频率大小可以经过图中的可变电阻进行调节。
按照此总电路图连接电路就可以得到完整的三种波形。
图3.5总电路图
3.6电路的参数选择及计算
3.6.1.比较器A1与积分器A2元器件
根据三角波幅值要求,
,取
,
。
然后可以调节两个可调电阻的阻值就能达到论文要求。
3.6.2.方波——三角波中电容C1变化
仿真的时候,我一开始很长时间出不来波形,后来将C1从10uf(理论时可出来波形)换成0.1uf时,顺利得出波形。
实际上,分析一下便知当C1=10uf时,频率很低,不容易在实际电路中实现。
在课题要求中有频率范围的部分。
计算出频率的计算公式,这一点就比较简单了。
上面我们知道频率和两个可变电阻还有电容有关,其中电容C1就是满足对频率大范围调节的。
我们可以更换C1值,再通过可变电阻微调,这样就能获得1Hz到100Hz的范围控制。
即
当
时,取
时,取
以实现频率波段的转换,R4及RP2的取值不变。
4安装电路并调试电路
4.1总电路的安装与调试
1.把两部分的电路接好,进行整体测试、观察。
2.针对各阶段出现的问题,逐个排查校验,使其满足设计要求,即使方波幅值达到10V,三角波幅值为10V,正弦波峰峰值达到20V。
4.2电路仿真
4.2.1Multisim仿真软件简介
Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具,适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。
它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式,具有丰富的仿真分析能力。
工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图,并对电路进行仿真。
Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容,这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计,这也使其更适合电子学教育。
通过Multisim和虚拟仪器技术,PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。
Multisim软件就是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。
作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具,Multisim是一个完整的集成化设计环境。
而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。
学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。
并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。
极大地提高了学员的学习热情和积极性。
真正的做到了变被动学习为主动学习。
这些在教学活动中已经得到了很好的体现。
还有很重要的一点就是:
计算机仿真与虚拟仪器对教员的教学也是一个很好的提高和促进。
理论教学――计算机仿真――实验环节。
美国NI公司提出的理念:
“把实验室装进PC机中软件就是仪器”Multisim的特点:
(1)直观的图形界面:
整个操作界面就像一个电子实验工作台,绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上,轻点鼠标可用导线将它们连接起来,软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似,测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的一样。
(2)丰富的元器件库:
Multisim大大扩充了EWB的元器件库,包括基本元件、半导体器件、运算放大器、TTL和CMOS数字IC、DAC、ADC及其他各种部件,且用户可通过元件编辑器自行创建或修改所需元件模型,还可通过liT公司网站或其代理商获得元件模型的扩充和更新服务。
(3)丰富的测试仪器:
除EWB具备的数字万用表、函数信号发生器、双通道示波器、扫频仪、字信号发生器、逻辑分析仪和逻辑转换仪外,Multisim新增了瓦特表、失真分析仪、频谱分析仪和网络分析仪。
尤其与EWB不同的是:
所有仪器均可多台同时调用。
(4)完备的分析手段:
除了EWB提供的直流工作点分析、交流分析、瞬态分析、傅里叶分析、噪声分析、失真分析、参数扫描分析、温度扫描分析、极点一零点分析、传输函数分析、灵敏度分析、最坏情况分析和蒙特卡罗分析外,Multisim新增了直流扫描分析、批处理分析、用户定义分析、噪声图形分析和射频分析等,基本上能满足一般电子电路的分析设计要求。
(5)强大的仿真能力:
Multisim既可对模拟电路或数字电路分别进行仿真,也可进行数模混合仿真,尤其是新增了射频(RF)电路的仿真功能。
仿真失败时会显示出错信息、提示可能出错的原因,仿真结果可随时储存和打印。
MULTISIM仿真实验在实验教学中的技术优势:
1高指标的虚拟仪器和充足的元器件资源
电子仿真实验软件内的虚拟仪器不仅品种齐全,而且技术指标高,随时可以拖放到工作区使用,并能实时显示有关数据和波形。
2弥补了实验经费不足的缺憾
传统的电子技术实验需要有仪器设备和元器件的支持,有些实验仪器耗资大,仪器操作技术要求较高,在教育经费不足的情况下,有些学校所能开出的实验项目和数量受到限制。
特别是近年来一些学校扩大招生规模,而实验基础设施跟不上,仿真电子实验弥补了因实验仪器及经费不足造成的缺憾。
另外,仿真实验不涉及仪器折旧和更新换代,通过软件升级就能保持实验的先进性。
一些需要价格昂贵的仪器而无法开展的实验,通过仿真就能够容易实现。
4.2.2方波---三角波发生电路的仿真
首先是方波的波形,失真度很小,如图4.1。
图中方波波形的幅值是经过调节过后显示的,大小为10V。
图4.1方波仿真波形
然后我们看三角波的仿真波形,如图4.2,完美的波形。
这种三角波波形失真度极小,其幅值可以根据电路中可变电阻进行调节。
图4.2三角波仿真波形
方波与三角波对比如图4.3所示
图4.3方波-三角波波形对比
4.2.3三角波---正弦波发生电路的仿真
由低通滤波器产生的正弦波仿真出来失真度很小,满足课题要求,比差分放大电路的结果好很多。
如图4.4所示
图4.4正弦波仿真波形
5课题总结及问题
5.1课程总结
本人设计的函数发生器是在模拟电子技术的基础上实现的。
利用的基础元件是运算放大器以及电阻电容等,在此之上通过理论方法构建出电路,最后仿真并调试成功。
本设计基本满足课题要求,完成了方波,三角波和正弦波的生成。
通过这次毕业设计,我掌握了常用元件的识别和测试;
熟悉了常用的仪器仪表;
了解了电路的连接方法;
以及如何提高电路的性能等等。
然而本人水平有限,不足之处望师长指出,以期改正与进步。
5.2设计所遇问题
课题设计中遇到各种问题是在所难免的,我在做函数发生器的时候也是。
其中大多都一一排除解决,使设计更加完善,然而由于Multisim9元件库所限以及本人所选运放搭建电路特点的限制,本课题仍有难以趋于完美的表现。
在电路中,积分器的积分时间常数
,τ越小积分速度越快;
积分速度还与输入电压成正比,输出将随时间线性增长,但增长至电路的电源电压值时便不再增长,运放进入饱和工作状态,因此积分器有效积分的时间范围将受到运放的线性工作范围限制,因此改变电容C1,电容C1减小过多,τ越大,积分速度变慢,三角波将产生失真。
因此通过改变电容来大幅度调节频率有着限制。
这是由运放的特点决定的。
心得体会
毕业课题的设计花了我很多心思,在这期间我把以前学过的知识都重温回顾了一遍,并在设计中不断推理验证。
通过这次课程设计,加强了我动手、思考和解决问在设计过程中,经常会遇到这样那样的情况,就是心里想老着这样的接法可以行得通,但实际接上电路,总是实现不了,因此耗费在这上面的时间用去很多。
我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,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和运用各个元件的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多元件的功能,并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。
题的能力。
平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完设计,那些问题就迎刃而解了。
而且还可以记住很多东西。
比如一些芯片的功能,平时看课本,这次看了,下次就忘了,通过动手实践让我们对各个元件印象深刻。
认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。
所以这次的设计对我们的作用是非常大的。
通过这次设计,在理论学习中,很少有机会能有实践的机会,对于即将毕业走上工作岗位走向社会的我而言,这不只是一次简单的设计那么简单。
在不断研究设计的过程中,我有失败,但是我一遍遍重新计算,一次次不断调试,有不懂的时候不断查阅资料,诚恳向老师请教;
我也有成功,在结果出来的时候无疑是欣喜的,当客服了一个个难题,解决了每一个疑问,都能让我开心好一阵。
对我而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。
挫折是一份财富,经历是一份拥有。
这次设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆!
通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,
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- 方波 三角 正弦波 函数 发生器 设计