幅度频率可调的锯齿波发生器.docx
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幅度频率可调的锯齿波发生器
课程设计(论文)任务及评语
院(系):
电气工程学院教研室:
电子信息工程
学号
学生姓名
专业班级
自动化101班
课程设计(论文)题目
幅度频率可调的锯齿波发生器
课程设计(论文)任务
设计任务:
1.现设计并制作能产生锯齿波波形信号输出的函数发生器。
2.设计电路所需的直流稳压电源。
功能要求:
1.输出的波形工作频率范围0.02Hz~1kHz连续可调
2.方波幅值±10V。
3.波峰峰值20V;各种输出波形幅值均连续可调。
设计要求:
1.分析设计要求,明确性能指标。
必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环境等,广开思路,构思出各种总体方案,绘制结构框图。
2.确定合理的总体方案。
对各种方案进行比较,以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较,并考虑器件的来源,敲定可行方案。
3.设计各单元电路。
总体方案化整为零,分解成若干子系统或单元电路,逐个设计。
4.组成系统。
在一定幅面的图纸上合理布局,通常是按信号的流向,采用左进右出的规律摆放各电路,并标出必要的说明。
指导教师评语及成绩
成绩:
指导教师签字:
年月日
摘要
锯齿波在我们的生活中起着非常重要的作用,常作为基本的测试信号。
本次课程设计所设计的锯齿波函数信号发生器是由三部分组成的,分别为直流稳压电源、迟滞比较器和时间常数积分电路。
而迟滞比较器和时间常数积分电路就构成了锯齿波信号发生装置。
直流稳压电源可实现输出±10V相对稳定的电压,充当后面锯齿波产生装置的电源,迟滞比较器由直流稳压电源供电则可产生幅值为±10V的方波信号,方波信号再经过积分器的充放电作用最终就可输出波峰为±20V的锯齿波,而且各种输出波形的幅值和频率均连续可调。
关键词:
锯齿波直流稳压电源迟滞比较器积分电路方波
附录...................................................................16
第1章幅度频率可调锯齿波发生器设计方案论证
1.1幅度频率可调锯齿波发生器的应用意义
在我们日常生活中,以及一些科学研究中,锯齿波时常用的基本测试信号。
在无线电通信,测量,自动化控制等技术领域广泛地应用着各种类型的信号发生器。
此外,如在示波器、电视机等仪器中,为了使电子按照一定规律运动,以利用荧光屏显示图像,常用到锯齿波产生器作为时基电路。
例如,要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形,要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压,使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。
而电视机中显像管荧光上的光点,是靠磁场变化进行偏转的,所以需要用锯齿波电流来控制。
因此锯齿波发生器是我们在学习、科学研究等方面不可缺少的工具。
1.2幅度频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标
设计要求:
1.分析设计要求,明确性能指标。
必须仔细分析课设要求、性能、指标及应用环境等,广开思路,构思出各种总体方案,绘制结构框图。
2.确定合理的总体方案。
对各种方案进行比较,以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较,并考虑器件的来源,敲定可行方案。
3.设计各单元电路。
总体方案化整为零,分解成若干子系统或单元电路,逐个设计。
4.组成系统。
在一定幅面的图纸上合理布局,通常是按信号的流向,采用左进右出的规律摆放各电路,并标出必要的说明。
功能要求:
输出的波形工作频率范围0.02Hz~1KHz连续可调:
方波幅值:
±10V。
波峰峰值:
20V(各种输出波形幅值均连续可调)。
1.3设计方案论证
幅度频率可调锯齿波发生器电路可由集成运放构成,也可以由集成函数发生器8038构成,还可以由555定时芯片构成的自举电路产生。
本次设计采用的是集成运放构成的电路。
1.4总体设计方案框图及分析
一、锯齿波发生器
锯齿波发生器主要由迟滞比较器和RC充放电电路组成。
比较器属于信号处理的一种,主要用于比较输入信号的电平,并将比较的结果输出。
其特点是:
当输入增大及减小时,两种情况下的门限电压不相等,传输特性呈现出“滞回”曲线的形状。
二、直流稳压电源
常用电子仪器和设备(如示波器、电视机等)所需要的直流电源,均属于单相小功率直流电源(功率在1000W以下)。
它的任务是将220V、50Hz的交流电压转换为幅
值稳定的直流电压(例如几伏或十几伏),同时能提供一定的直流电流(比如几安甚至几十安)。
单相小功率直流电源一般由电源变压器、整流、滤波和稳压电路四部分组成,如图1所示。
其工作过程一般为:
首先由电源变压器将220V的交流电压变换为所需要的交流电压值;然后利用二极管单向导电性将交流电压整流为单相脉动的直流电压;再通过电容或电感等储能元件组成的滤波电路减小其脉动成分,从而得到比较平滑的直流
电压经过整流、滤波后得到的直流电压易受电网波动及负载变化的影响(一般有±10%左右的波动),必须加稳压电路,可利用负反馈等措施维持输出直流电压稳定。
图1直流稳压电源的组成及作用
第2章幅度频率可调锯齿波发生器各单元电路设计
2.1迟滞比较器电路设计
单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点,但其抗干扰能力差。
例如,在单门限电压比较器的图2中,当
中含有噪声或干扰电压时,其输入和输出电压波形如图2所示,由于在
=
=
附近出现干扰,
将时而为
,时而为
导致比较器输出不稳定。
如果用这个输出电压
去控制电机,将出现频繁的起停现象,这种情况是不允许的。
提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。
图2单门限电压比较器在
中包含有干扰电压时的输出电压
波形
迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。
图3所示为反相输入迟滞比较器原理电路,它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络,其传输特性如图4所示。
如将Vi与Vref位置互换,就可组成同相输入迟滞比较器。
由于正反馈作用,这种比较器的门限电压是随输出电压Vo的变化而改变的的。
它的灵敏度低些,但抗干扰能力却大大提高了。
图3反向输入迟滞比较器电路
图4迟滞比较器合成(输入-输出)传输特性
2.2积分器电路设计
积分电路是一种应用比较广泛的模拟信号运算电路,它是组成模拟计算机的基本单元,可以实现对微分方程的模拟。
同时,积分电路也是控制和测量系统中用的重要单元,利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。
电路组成如图5,根据理想运放工作在线性区时“虚短”和“虚断”的特点可知:
电路的输出电压Vo与电容两端电压Vc成正比,而电路的输入电压Vi与流过电容的电流Ic成正比,即Vo与Vi之间成为积分运算关系。
由于集成运放的反相输入端“虚地”,故Vo=-Vc可见输出电压与电容两端电压成正比。
又由于“虚断”,运放反相输入端的电流为零,则I=Ic,故Vi=iR1=IcR1即输入电压与流过电容的电流成正比。
由以下几个表达式可得:
dt=
dt
由此可知,当输入电压为矩形波时,通过积分换算,输出电压即可转变为三角波。
图5积分电路
2.3直流稳压电源电路设计
图6为串联反馈是稳压电路的电路图,图中电容C1、C2两端的电压是整流滤波电路的输出电压Vo,T1、T2为调整管,A为比较放大电路,
为基准电压,它由稳压管Dz1与限流电阻R2串联所构成的简单稳压点电路获得,R3、R4、Rp组成反馈网络,是用来反映输出电压变化的取样环节。
图6直流稳压电源电路
这种稳压电路的主回路是起调节作用的BJT(T)与负载串联,输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路A放大后去控制调整管T的集电极(c)与发射极(e)之间的压降,从而达到稳定输出电压Vo的目的。
稳压原理可简述如下:
当输入电压Vi增加(或负载电流Io减小)时,导致输出电压Vo增加,随之反馈电压
=R2Vo/(R1+R2)=FvVo也增加(Fv为反馈系数)。
与基准电压
相比较,其差值电压经比较放大电路放大后使
(电容C1两端电压)和
减小,调整管T的集电极(c)与发射极(e)之间的电压
增大,使Vo下降,从而维持Vo基本恒定。
同理,当输入电压Vi减小(或负载电流Io增加)时,亦将使输出电压基本保持不变。
从反馈放大电路的角度来看,这种电路属于电压串联负反馈电路。
调整管T连接成电压跟随器。
因而可得:
或
式中Av是比较放大电路的电压增益,使考虑了所带负载的影响,与开环增益
不同。
在深度负反馈条件下(1+AvFv)>>1时,可得:
上式表明输出电压Vo与基准电压
近似成正比,与反馈系数Fv成反比。
当
及Fv已定时,Vo也就确定了,因此它是设计稳压电路的基本关系式。
值得注意的是,调整管T的调整作用是依靠
和
之间的偏差来实现的,必须有偏差才能调整。
如果Vo绝对不变,调整管
也绝对稳定,那么电路也就不能起调整作用了。
所以Vo不可能达到绝对稳定,只能是基本稳定。
因此,图2所使得系统是一个闭环有差调整系统。
由以上分析可知,当反馈越深时,调整作用越强,输出电压Vo也越稳定,电路的稳压系数和输出电阻Ro也越小。
第3章幅度频率可调锯齿波发生器整体电路设计
3.1整体电路图及工作原理
1.电路
图7所示为一个锯齿波发生电路。
图中集成运放C1组成迟滞比较器;二极管D、R5和电位器R6使积分电路的充放电回路分开,故A2组成充放电时间常数不等的积分电路。
设t=0时接通电源,有Vo1=-Vz,则-Vz经R6向C充电,使输出电压按线性规律增长。
当Vo上升到门限电压
使
时,比较器输出Vo1由-
上跳到+
,同时门限电压下跳到
值。
以后Vo1=+Vz经R6和D、R5两支路向C反向充电,由于时间常数减小,Vo迅速下降到负值。
当Vo下降到门限电压
使
时,比较器输出Vo1又由+
下跳到-
。
如此周而复始,产生振荡。
由于电容C的正向与反向充电时间常数不相等,输出波形Vo为周期性锯齿波电压,Vo1为矩形波电压,如图9所示。
图7锯齿波发生电路图
2.整体电路
由图8可见为锯齿波产生的整体电路,它由三部分组成,直流稳压电源为锯齿波产生电路提供一个电压稳定的直流激励,则后面的锯齿波产生电路就可以产生所需要的锯齿波了。
图8整体电路
3.工作原理
假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平,而且假设积分电容上的初始电压为零。
由于A1同相输入端的电压Vp同时与Vo1与Vo有关,根据叠加原理可得:
(1)
则此时Vp也为高电平。
但当Vo1=+Vz时,积分电路输出电压Vo将随着时间往负方向线性增长,Vp随之减小,当减小至Vp=Vn=0时,滞回比较器的输出端将发生跳变,使Vo1=-Vz,同时Vp将跳变为一个负值。
以后,积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长,Vp也随之增大,当增大至Vp=Vn=0时,滞回比较器的输出端再次发
生跳变,使Vo1=+Vz,同时Vp也跳变为一个正值。
然后往复以上过程,于是可得滞
回比较器的输出电压Vo1为矩形波,而由于积分电路的充放电时间不等,故积分电路输出电压Vo为锯齿波。
如图9所示:
图9整体电路的输出波形
由上图可知,当Vo1发生跳变时,锯齿波输出Vo达到最大值Vom,而Vo1发生跳变的条件是:
Vp=Vn=0,将条件Vo1=-Vz,Vp=0代人
(1)式,可得:
(2)
由此可解的锯齿波输出的幅度为:
(3)
要使得幅度可调,由(3)式可知,改变参数R5即可,所以实际电路中R5采用滑动变阻器;调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度。
从而满足设计要求。
3.2电路参数计算
1.门限电压的估算
为便于讨论,单独画出图中由C1组成的同相输入迟滞比较器,如图10所示。
图中的
就是图7中的
。
由图10有:
(4)
考虑到电路翻转时,有
,即得:
由于
,由式(4),可分别求出上、下门限电压和门限宽度为:
图10同相输入迟滞比较器电路图
3.3整体电路性能分析
本次所设计的幅度频率可调的锯齿波发生器可以实现输出波形的工作频率范围为0.02Hz~1KHz连续可调;方波幅值为±10V;波峰峰值为20V;各种输出波形幅值均连续可调。
基本达到了设计要求。
第4章设计总结
此设计电路采用的电源为串联反馈式稳压电源,从反馈放大电路来看,这种电路属于电压串联负反馈电路,调整管连接成电压跟随器,则它能维持输出的电压基本稳定,同时又具有启动电路,使电路易于控制,但是它的输出电压不能达到绝对稳定,只能是基本稳定,所以要求反馈深度要深,反馈深度越深输出电压的稳定性越高;锯齿波发生电路采用迟滞比较器,它有抗干扰能力强的优点,输出锯齿波稳定,但其电路复杂,灵敏度低,不易控制,还需要我们进一步改进。
参考文献
[1]康华光,《电子技术基础》模拟部分(第五版),高等教育出版社,2006。
[2]高吉祥,《电子技术基础实验与课程设计》,电子工业出版社,2005。
[3]鲁宝春,《电子技术基础实验》,东北大学出版社,2011。
[4]卜益民,《模拟电子技术》,北京邮电大学出版社。
[5]谭博学、苗汇静,《集成电路原理及应用》,电子工业出版社。
[6]彭介华,《电子技术课程设计指导》,高等教育出版社,1997。
附录
元器件清单
器件名称
器件符号
器件数量
器件参数
电阻
R0~R11
12
电容
C、C1、C2
3
滑动变阻器
Rp
1
二极管
D1~D4
4
稳压管
Dz、Dz1、Dz2
3
三极管
T1、T2、T3
3
变压器
T0
1
运算放大器
A、A1、A2
3
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- 幅度 频率 可调 锯齿 发生器