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电子课设论文
电子线路课程设计
姓名:
易英炜
专业:
电气工程及其自动化
学号:
130302020229
完成时间:
2015年6月11日
目录
设计任务和要求1
1.1设计任务1
1.2设计要求1
1.3PCB要求1
设计原理2
2.1概述2
2.2正弦波的振荡器2
2.2.1正弦波的振荡器的基本结构和工作原理2
2.2.2产生振动条件2
2.3方波发生器3
2.3.1方波发生器的基本原理与工作原理3
设计步骤4
3.1正弦波发生器4
3.1.1电路组成4
3.1.2电路分析4
3.2方波发生器5
3.2.1比较器+RC电路5
3.2.2比较器+积分器7
3.3Altitmdesign电路原理图的绘制9
3.3.1电路原理图设计的一般步骤9
3.3.2本设计需要用到的规则9
3.3.3原理图9
3.4AltiumdesignPCB图的设计与制作10
3.4.1PCB图设计的一般步骤10
3.4.2PCB布局需注意的问题10
3.4.3PCB图10
设计结果11
设计体会12
参考文献13
附图14
摘要
波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的波形发生器,使用的器件可以是分立器件,也可以采用集成电路。
本次波形发生器设计要求产生方波和三角波,矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础,当方波电压加在积分运算电路的输入端是,输出就获得三角波电压。
而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。
【关键词】波形发生器三角波方波电路原理图PCB
设计任务和要求
1.1设计任务
使用集成运放设计一个波形发生器,产生一个频率为fo=100~10kHz的正弦波,其电压幅度为+Vs=|-Vs|=3V。
同时产生一个频率为fo=100~10kHz的方波,其幅度为+Vf=|-Vf|=5V。
波形发生器方框图见图1。
1.2设计要求
(1)正弦波发生器设计;
(2)方形波发生器设计;
(3)放大电路设计。
1.3PCB要求
(1)PCB板大小不超过6*6cm
(2)线宽35mil,GND线宽50mil,单面板布线,可以使用少量的跳线,不超过4根
(3)焊盘大小全部为80mil,孔径35mil
(4)要求画出元件库,元件全部使用直插式封装,按着给出的封装表来绘制元件库
设计原理
2.1概述
波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。
根据用途不同,有产生三种或多种波形的波形发生器,使用的器件可以是分立器件(如视频信号函数发生器S101全部采用晶体管),也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块5G8038)。
本次波形发生器设计要求产生正弦波同时产生方波。
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。
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,再经积分电路产生三角波。
此电路结构简单,且有良好的正弦波和方波信号。
2.2正弦波的振荡器
2.2.1正弦波的振荡器的基本结构和工作原理
正弦波振荡器是一个没有输入信号,依靠自激振荡产生正弦波输出信号的电路,它由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。
电路接通电源的一瞬间,由于电路中电流从零突变到某一值,它包含着很多的交流谐波,经选频网络选出频率为fo的信号,一方面由输出端输出,另一方面经正反馈网络传送回到输入端,经放大和选频,这样周而复始,不断地反复,只要反馈信号大于初始信号,振荡逐渐变强起来。
2.2.2产生振动条件
(1)振动平衡条件
要使振荡器输出信号.X1维持稳定的输出,必须使再次反馈回输入端信号.X2和原来输入端的信号.X3相等,即:
X2=X3
又有A=X1/X3F=X2/X1:
得X2=AFX3
当AF=1时,幅度平衡条件
(2)振动起振的条件
振荡器满足平衡条件时,F2=F3=输出信号幅度保持不变。
但在振荡器刚开始振荡时,信号非常微弱,如仅是..F2=F3振荡器将不能起振。
必须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号,即.F2>F3ñ。
振荡才能由弱到强建立起来。
所以振荡起振条件应为AF>1。
2.3方波发生器
2.3.1方波发生器的基本原理与工作原理
×
如图2-3所示的方波发生器电路,其中R2与Rf组成负反馈支路,运放同相端的电压为:
电阻R1、
和电容C组成运放的正反馈支路。
当电容C的端电压VC(等于运放的反向端电压V-)大于V+时,输出电压VO=VZ(双向稳压管VD的限幅电压),则电容C经电阻R1、
放电,VC下降。
当VC下降到比V+小时,比较器的输出电压VO=+VZ,电容C又经过电阻R1、
充电,电容的端电压VC又开始上升,如此反复,则输出电压VO为周期性方波。
方波的频率为
=
×
调节电路中的
可以改变频率。
图2-3为方波发生器
设计步骤
3.1正弦波发生器
3.1.1电路组成
下图3.1.1所示为实用的RC桥式振荡电路
图3.1.1实用RC桥式振荡器
3.1.2电路分析
文氏电桥振荡器:
fo=1/2πRC;正反馈电路:
RC串并选频网络决定RC振荡器的振荡频率f0。
负反馈电路:
Ra和R1决定起振条件,调节波形与稳幅控制。
R1并联D1.D2:
正向非线性电阻起振时:
电阻大负反馈小;振荡幅值大时:
电阻小负反馈大,整形限幅。
图中二极管V1,V2用以改善输出电压波形,稳定输出幅度。
起振时,由U1很小,V1,V2接近于开路,R3,V1,V2并联电路的等效电阻近似等于R3,此时|Au|=1+(R2+R3)/R1>3,电路产生振荡。
随着U0的增大,V1,V2导通,V1,V2,R3并联电路的等效电阻减小,|Au|随之下降,使|Au|=3,U0幅度趋于稳定。
R3可用来调节输出电压的波形和幅度。
为了保证起振,由R2+R3>2R1,可得R2的值必须满足R2>2R1-R3。
也就是说,R2过小,电路有可能停振。
调节R3使R2略大于2R1-R3,起振后的振荡幅度较小,但输出波形比较好。
调节R3使R2增大,输出电压的幅度增大,但输出电压波形失真也增大,当R2增大到R2>>2R1时,使得无论二极管V1,V2是否导通,电路均满足|Au|>3,V1,V2失去了自动稳压作用,此时振荡将会产生严重的限幅失真,所以为了使输出电压波形不产生严重的失真,要求R2值必须小于2R1.由此可见,为了使电路容易起振,又不产生严重的波形失真,应调节R3满足:
2R1>R2>(2R1-R3)
3.2方波发生器
3.2.1比较器+RC电路
由运算放大器A、R0、R1、R2、Dz1和Dz1组成的滞回比较器与RC电路组成的三角波、方波发生器电路如图3.2.1(a)所示
图3.2.1(a)
由波形图可以看出,在比较器没有翻转之前,v0为一常数(设v0=+V1)。
v0通过R对C充电,vc由-R1*Vz/R1+R2逐渐上升,随着vc的增大,R两端的电压将逐渐下降,故充电电路Ic也将不断减小,使vc上升速度减慢,从而使vc形成了典型的RC电路的充放电波形(按指数规律变化)。
这样的vc由于线性度非常差,显然不能当作三角波使用。
改进vc线性度的有效方法,是在充放电过程中保持Ic的恒定,即对电容C恒流充放电。
使Ic恒定的办法有多种,其实质都是利用BJT或FET的恒流特性,再引入电流负反馈而形成的恒流源电路。
图3.2.1(a)、(b)是二种恒流源电路,只要把其中的某些电路取代图中的R便可获得较为理想的三角波波形。
(a)
(b)
图3.2.1二种形式的恒流源电路
3.2.2比较器+积分器
由积分器A与滞回比较器A2等组成的三角波,方波发生器电路如图4.2.2所示。
在一般使用情况下,V01和V02都接地。
只有在方波的空占比不为50%,或三角波的正负幅度不对称时,可通过改变V01和V02的大小和方向加以调整
图3.2.2三角波,方波发生器
图3.2.2所示的三角波、发生器电路,在V01和V02都接地时的三角波、方波发生器形对称调节点V01和零位调节点V02电压调整原理如下:
对称节点V01稳态势,vo1可表示成:
Vo1(t)=vo1(0)-(vo2-V01)t/RC
当vo2=+Vz时,vo1(0)=+R2Vz/R3;
而当t=T1时,vo1(T1—)=-R2Vz/R3。
当vo2=-Vz时vo1(0)=VzRR32;
而当t=T2时,vo1(T2)=VzRR32。
故以有T2=RC/v1+v2
当1V>0时,T1>T2;当1V<0时,T1 所以,由于失调等原因引起波形不对称时,可通过改变1V的大小进行调整 零位调节VO2,运算放大器A2同相输入端的电压2? V,时由vo1和vo2叠加而成: v(t)=(R3/R2+R3)vo1(t)+(R2/R2+R3)vo2(t) 当2? v=V02时,A2翻转。 故A2翻转时vo1的电压为: Vo1=1+R2/R3Vo2 由上可知,当32RR的比值调好之后,三角波的峰峰值已经确定,调节V02的大小可使三角波上下平移。 因此,当由于失调等原因引起三角波零位偏移(上下不对称)时,可通过改变V02的大小进行调整。 3.3Altitmdesign电路原理图的绘制 3.3.1电路原理图设计的一般步骤 1)启动protel99SE电路原理图编辑器。 2)设置电路图图纸大小及版面。 3)在图纸上放置需要的元器件。 4)对所放置的元器件进行布局布线。 5)对布局布线后的元器件进行调整。 6)保存文档并打印输出。 3.3.2本设计需要用到的规则 该设计绘制的总原理图已在附录C中给出,在此不再赘附。 在放置元器件时,如遇元器件找不到则需装载相应的元器件库。 其基本步骤为: 单击设计管理器中的browsesch选项卡→单击add/remove按钮,屏幕将出现“changelibrarylist”对话框。 在designexplorer99/library/sch文件夹下选取元件库文件,然后双击鼠标→点击“OK”按钮即完成了添加。 若再找不到该元件,则需自己用元件绘图工具制作。 3.3.3原理图 见附图Ⅰ 3.4AltiumdesignPCB图的设计与制作 3.4.1PCB图设计的一般步骤 1)按照相关步骤后,将网络报表导入编辑器即产生PCB图。 2)手工编辑调整元件布局,并连线。 3.4.2PCB布局需注意的问题 排版应整齐美观,布线不能相交,焊盘大小要合适(以免焊盘太小打孔时将焊盘打掉)。 考虑我们是初学者可先考虑布线的简便性。 3.4.3PCB图 见附图Ⅱ 设计结果 设计体会 该设计电路通过先产生方波-三角波,再将三角波变换成正弦波,最终艰难而曲折的把简易信号发生器设计了出来。 该设计电路的优点是输出波形的频率和幅度都连续可调。 缺点是在调节频率的过程中正弦波的幅度会有所改变,而且波形的稳定度和失真度都会有很大的变化,这也就增加了电路调节的难度。 该电路可以在比较器部分加入一个加速电容C,用来加速比较器的翻转。 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,实际损失非常困难的。 参考文献 [1]李万臣.模拟电子技术基础实验与课程设计[M].哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版2001.3 [2]沈明发.低频电子线路实验[M].广州: 暨南大学出版社,2001.10 [3]刘志军.模拟电路实验教程[M].北京: 清华大学出版社,2005.5 [4]康华光.电子技术基础(模拟部分)(第四版)[M].武汉: 高等教育出版社,2005.7 [5]舒庆莹,凌玲.模拟电子技术基础实验[M].武汉: 武汉理工大学出版社,2008.2 附图 原理图(附图Ⅰ) PCB图(附图Ⅱ) 仿真图(附图Ⅲ)
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