可編輯版8/8課程設計報告書波形發生器學院電子與信息學院專業班級學生姓名學生學號指導教師課程編號課程學分1起始日期2017波形發生器選題背景波形發生器是一種常用的信號源,廣泛地應用于電子電路、自動控制系統和教學實驗等領域。函數信號發生器是一種能夠產生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波〔含方波、正弦波的電路。函數信號發生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數波形發生器的原理以及構成分析,可設計一個能變換出三角波、正弦波、矩形波的函數波形發生器。二、方案論證1、設計題目要求1.1、功能要求、同時三通道輸出,采用正弦波、矩形波、三角波的級聯結構；、電源由穩壓電源供給；1.2、指標要求：、輸出電壓要求正弦波Vp-p>10V、矩形波Vp-p>10V、三角波Vp-p>4V；、輸出波形頻率范圍為100Hz—2kHz；、通帶內輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于5%；、矩形波占空比可調整,調整范圍：10%～90%；2、總體設計方案2.1設計思路根據模擬電子技術基礎課程,可通過RC橋式正弦波振蕩電路產生正弦波,通過比較器變換成矩形波,再通過積分電路變換成三角波；或者同過滯回比較器和RC電路組成的矩形波發生電路產生矩形波,通過積分電路變換成三角波,再用濾波法變換成正弦波。2.2設計方案滿足上述設計功能可以實施的方案很多,現提出以下幾種方案：2．2．1方案一①原理框圖圖2.2.1方案一原理框圖②基本原理通過RC橋式正弦波振蕩電路,產生正弦波,改變電阻R和電容C的值實現頻率可調；通過單限比較器,產生矩形波,接入參考電壓,通過改變與參考電壓串聯電阻的阻值,實現占空比可調；通過積分電路,產生三角波。2．2．2方案二①原理框圖圖2.2.2方案二原理框圖②基本原理通過矩形波發生電路產生矩形波,改變阻值和電容實現頻率可調,利用二極管的單向導電性可以引導電流流經不同的通路,改變電位器阻值實現占空比可調；通過積分電路產生三角波；通過低通濾波器產生正弦波。2.3方案論證與比較方案一中的RC橋式正弦波振蕩電路,因為兩個電位器阻值須相等才能實現減少失真,所以改變頻率時,兩個電位器的改變量必須相等,增加了調節的難度；方案二的濾波法要求三角波為固定頻率或者頻率變化范圍很小,而題目要求頻率范圍為100Hz—2kHz,不符合要求；而若用折線法需要大量電阻與二極管,成本較高；綜上所述,方案一在成本與指標實現上更具優勢,所以采用方案一。三、單元電路設計3．1、RC橋式正弦波振蕩電路3．1．1、RC橋式正弦波振蕩電路及其工作原理或功能說明圖3.1.1RC橋式正弦波振蕩電路倘若存在頻率,是電路產生的附加相移為±π,而且,則電路將產生自激振蕩。當趨近于3時,趨近于無窮大,表明電路即使在無輸入的情況下,也會有頻率為的輸出電壓,即電路產生了自激振蕩。因為電路僅對頻率的信號放大,而對其他頻率的信號迅速衰減為零,所以輸出頻率為的正弦波。3．1．2、RC橋式正弦波振蕩電路元件的選取與計算、確定R、C的值由于要求頻率范圍為100Hz—2kHz,選取1kHz為中心頻率。由于①②得到①②為了使選頻網絡的選頻特性盡量不受集成運算放大器的輸入電阻Ri和輸出電阻Ro的影響,應使R滿足下列關系式：Ri>>R>>Ro,一般Ri約為幾百千歐以上,Ro僅為幾百歐以上。故確定R=16KΩ,則C=10nF。、確定R1、R3RC選頻網絡對于中心頻率的放大倍數為,而回路起振條件為。故放大電路的電壓放大倍數,即,取。而其中,為二極管的正向動態電阻。 為了減小輸入失調電流和漂移的影響,電路應該滿足直流平衡條件,即：綜上所述：③ 由③④④⑤⑤rd≈5.1KΩ 得：R1=24kΩRf=48kΩR4=42.9kΩ<經實驗室實際調試,取41kΩ>3．2、單限比較器電路3．2．1、單限比較器電路及其工作原理或功能說明圖3.2.1單限比較器電路根據疊加原理,集成運放反向輸入端的電位⑥⑥令,則求出閾值電壓⑦⑦當時,,所以,；當時,,所以,。只要改變參考電壓的大小和極性,以及電阻R5和R6的阻值,就可以改變閾值電壓的大小和極性。3．2．2、單限比較器電路元件的選取與計算為了節省元件的使用,直接使用運放工作電源作參考電壓電源；由于輸入信號的頻率與振幅都會影響R5、R6的取值,經試驗R5取100KΩ的電位器,R6取200kΩ時滿足占空比范圍10%~90%的指標；R7作保護電阻,取2KΩ。3.3、積分電路3．3．1、積分電路及其工作原理或功能說明3．3．1積分電路由"虛地",電容電流等于電阻R8電流,所以得到積分電路公式：⑧⑧又公式可知,當輸入為矩形波時,輸出為三角波。3．3．2、積分電路元件的選取與計算為使三角波不出現頂部失真,應使用較大的電容,這里選取0.1μF的電容；經試驗調試,R選取為5KΩ的電位器調節時,既能使波形保持不失真,又便于調節；為了防止低頻信號增益過大,在電容上并聯一個電阻加以限制,經調試,取阻值為30KΩ效果最好。3.4、穩壓電源電路3．4．1、穩壓電源電路及其工作原理或功能說明圖3.4.1穩壓電源電路穩壓直流電源是將220V交流電力轉換為直流的電路或裝置,為電子設備提供能量。小功率直流穩壓電源由以下四部分組成：變壓器、整流電路、濾波電路、穩壓電路。電源變壓器是降壓變壓器,它將電網220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓,并送給整流電路,變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定；整流電路利用單向導電元件,把50Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。在橋式整流電路中,每個二極管都只在半個周期內導電,所以流過每個二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半。電路中的每只二極管承受的最大反向電壓為<是變壓器副邊電壓有效值>。濾波電路可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除,從而得到比較平滑的直流電壓。穩壓電路主要由78系列〔輸出正電壓和79系列〔輸出負電壓構成。3．4．2、穩壓電源電路元件的選取與計算變壓器的原、副邊匝數比：；查詢1N4001的反向擊穿電壓為50V>22V,符合要求；整流電路輸出電壓為22V；電容的值應滿足：C>><T*I>/<2U>,一般選擇電容的值為C=<3-5><T*I>/<2U>.其中T為輸入正弦信號的周期,我們現在用的市電頻率都為50Hz,故有其周期為T=1/f=0.02s,I為三端穩壓器的最大輸入電流,U為三端穩壓器的最小輸入電壓〔22V,帶入各項計算得：C=1817uF,取2000uF。四、整機電路4.1整機電路圖圖4.1整機電路圖4.2元件清單名稱型號數量電阻2KΩ124KΩ130KΩ148KΩ1100KΩ1200KΩ1電位器5KΩ1100KΩ3電容10nF20.1μF1二極管1N40012穩壓管5.1V2單刀雙擲開關1運放UA7413性能指標的測量與分析5.1電路測試5.1.1測試使用的儀器示波器數字萬用表電路調試步驟連接電路,用示波器按順序查看正弦波,矩形波,三角波波形；在出問題的電路單元查看導線連接是否正確；檢查UA741芯片靜態工作點電壓是否正常；檢測并調節電位器電阻；測量數據與分析正弦波頻率〔HzVpp〔V98.771011.91549.61912.76987.96727.111.511K25.842.106K15.79矩形波頻率〔Hz占空比Vpp〔V98.771010%12.4850%12.2390%12.61987.96710%12.5550%12.2190%12.442.106K10%12.2350%12.2590%12.20三角波頻率〔HzVpp〔V99.4438.642.096K10.96數據分析：所測得數據振幅均滿足"輸出電壓要求正弦波Vp-p>10V、矩形波Vp-p>10V、三角波Vp-p>4V"的條件；輸出波形頻率范圍超過100Hz—2kHz；矩形波占空比實現10%～90%范圍內可調整。電路波形圖圖5.1.5.1頻率100Hz,占空比10%圖頻率100Hz,占空比50%圖5.1.5.3頻率100Hz,占空比90%圖5.1.5.4頻率1KHz,占空比10%圖頻率1KHz,占空比50%圖5.1.5.6頻率1KHz,占空比90%圖5.1.5.7頻率2KHz,占空比10%圖5.1.5.8頻率2KHz,占空比50%圖5.1.5.9頻率2KHz,占空比90%圖頻率100Hz三角波圖5.1.5.11頻率1KHz三角波5.1.5故障分析及處理RC橋式正弦波振蕩電路無波形輸出,檢測導線無錯誤,用萬用表檢測運放工作電壓,發現不正常,查看運放供電電壓后發現,電源沒有接地,接地后,有波形出現；但是輸出的波形失真,檢查導線無錯誤后,用數字萬用表檢測并調節R1、R2至阻值相等后,波形不再失真。單限比較器電路無波形輸出,檢查導線連接無誤后,調節電位器R5阻值,矩形波逐漸出現。積分電路輸出三角波出現失真,用一值為100KΩ的電阻并聯電容C3,波形失真減少,改用150KΩ與50KΩ電阻,發現用50KΩ的效果更好,以此法再試用其他電阻,發現30KΩ的電阻效果最好。5.2電路實現的功能和系統使用說明電路能實現三通道同時輸出,可輸出正弦波,矩形波,三角波；頻率可在100Hz—2kHz范圍內調節；矩形波的占空比可在10%～90%范圍內調整。同時調節R1、R2即可調節頻率；調節R5和參考電壓極性,即可調節矩形波占空比。六課程設計總結拿到題目首先是看題目要求,回憶自己所學過的知識,思考如何實現,再網上找相關資料,用Multisim仿真,在面包板上搭建,調試。網上的資料質量參差不齊,通過這次課程設計,我更好的學會的判斷與篩選；往往需要自己結合課本知識來重新計算,重新設計。仿真的成