太原理工大學現代科技學院課程設計太原理工大學現代科技學院電路CAD課程設計設計名稱專業班級學號姓名指導教師題目波形發生器摘要各種大規模、高密度新型電子元器件的不斷涌現，所以電子電路的設計越來越復雜、越來越精密?；谶@種迫切需求，電路CAD設計技術也充分利用了計算機革命所帶來的成果，使得設計手段發生了翻天覆地的變化，其中的Protel99電子設計軟件就是一款功能強大、界面友好、操作簡便實用的快速、高效的電路CAD設計軟件。電路CAD課程設計我選擇了波形發生器為課題，波形發生器是指經過電子器件處理，以交流電為能源，能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓信號的儀器。眾所周知我國民用電為220V/50HZ的正弦波交流電，如何用它獲得課程設計所要求的固定幅值，固定頻率的矩形波，三角波，便是這次課程設計的內容。由模電知識知道應用集成運算放大器構成的滯回比較器加上穩壓二極管，我們可以很容易的獲得一個矩形波，再通過運放組成的積分電路，矩形積分就是三角形，我們也可以獲得三角波，而參數依靠著元器件的參數來改變。而運放需要直流供電，所以需要設計一個能提供穩定的直流電的工具--即串聯式直流穩壓電源，由交流電經變壓整流濾波穩壓,便可得到穩定的直流電源，最后組裝，變得到波形發行期。AbstractAllkindsoflarge-scale,highdensityofnewelectroniccomponentscontinuetoemerge,sotheelectroniccircuitdesignbecomesmoreandmorecomplex,moreandmoreprecision.Basedontheurgentdemand,circuitCADdesigntechnologyalsomakesfulluseofthecomputerrevolutionbroughtaboutbytheresults,thedesignmeanshappeningchangeswhichturntheworldupsidedown,theProtel99electronicdesignsoftwareisapowerfulfunction,friendlyinterface,convenientoperationandpracticalfast,efficientcircuitdesignsoftwareCAD.CircuitofCADcurriculumdesignIchoosewaveformgeneratorforthesubject,thewaveformgeneratorisaelectronicdeviceprocessing,withalternatingcurrentasenergy,canautomaticallygeneratesinewave,trianglewave,squarewaveandsawtoothwave,ladderwavevoltagesignalapparatus.Aseveryoneknowsourcountrycivilpower220V/50HZsinewavealternatingcurrent,andhowtouseitforcurriculumdesignrequirementsofthefixedamplitude,fixedfrequencysquarewave,trianglewave,isthecontentofthecurriculumdesign.Theelectricmodeofknowledgeapplicationofintegratedoperationalamplifierhysteresiscomparatorcoupledwithazenerdiode,wecaneasilyobtainarectangularwave,andthenthroughtheoperationalamplifierconsistingofintegralcircuit,rectangularintegralisthetriangle,wecanalsogetatrianglewave,whiletheparametersdependonthecomponentsoftheparameterstochange.WhiletheoperationalneedsofDCpowersupply,soneedtodesignacanprovidestableDCelectrictools-SeriesDCpowersupply,bytheACrectifyingfilteringvoltagestabilizingWecangetstableDCpowersupply,finalassembly,becomingtothewaveformissue.目錄一、設計任務與要求………….5二、方案設計與論證………….51．方案一………………………52.方案二………………………6三、單元電路設計…………….61.矩形波發生器電路設………62.三角形波發生器電路設計…………………83.電源電路設計………………8四、單元電路計算…………….9五、總原理圖及元器件清單………111．總原理圖……………………112.元器件清單…………………14六、設計結論與心得………………15七、參考文獻………………………15一、設計任務與要求1.設計要求：使用集成運放設計一個波形發生器，產生一個頻率為fo=5kHz的方波，其電壓幅度為+Vs=|－Vs|=14V。同時產生一個頻率為fo=5kHz的三角波，其幅度為+Vt=|－Vt|=5V。波形發生器方框圖見圖（圖1）。方波發生器電路方波發生器電路三角波發生器電路電源電路圖1波形發生器方框圖2.設計任務：（1）方波發生器設計；（2）三角波發生器設計；（3）電源電路設計。二、方案設計與論證波形發生器一般是指能自動產生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電壓或儀器。根據用途不同，有產生三種或多種波形的波形發生器，使用的器件可以是分立器件（如視頻信號函數發生器S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片函數發生器模塊5G8038）。為進一步掌握電路的基本理論及實驗調試技術，本課題要求設計由集成運算放大器與晶體管差分放大器共同組成的方波-三角波-波形發生器。本次波形發生器設計要求產生方波和三角波，矩形波發生電路是其它非正弦發生電路的基礎，當方波電壓加在積分運算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產生振蕩，就要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化，即產生周期性變化，所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。方案一：模擬電路實現方案系統原理框圖如下示：正弦波發生器正弦波發生器過零比較器積分器正弦波方波三角波圖2模擬電路實現方案用正弦波發生器產生正弦波信號，然后用過零比較器產生方波，再經積分電路產生三角波，電路框圖如上示。此電路結構簡單，且有良好的正弦波和方波信號。但經過積分電路產生同步三角波信號，存在難度。原因是積分器電路的積分時間常數是不變的，且隨著方波信號頻率的改變，積分電路輸出的三角波的幅度同時改變。若要同時保持三角波的輸出幅度不變，須同時改變積分時間常數的大小。方案二：運放實現方案系統原理框圖如下示：方波發生器電路方波發生器電路三角波發生器電路電源電路圖3波形發生器方框圖若用運放完成，則選定用比較器，比較器器有好多種，比如單限比較器，滯回比較器，窗口比較器等等。雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性，因而也就是具有一定的抗干擾能力。從而選擇滯回比較器。由于本次波形發生器設計要求產生方波和三角波，矩形波發生電路是其它非正弦發生電路的基礎，當方波電壓加在積分運算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產生振蕩，就要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化，即產生周期性變化，所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。綜上考慮，方案一的三角波信號產生過于繁瑣，而方案二的電路結構、思路簡單，運行時性能穩定且能較好的符合設計要求。故此次設計選用方案二進行電路設計。三、單元電路設計1．矩形波發生器電路矩形波發生電路是其它非正弦發生電路的基礎，當方波電壓加在積分運算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因為產生振蕩，就要求輸出的兩種狀態自動地相互轉換，所以電路中必須引入反饋；因為輸出狀態應按一定的時間間隔交替變化，即產生周期性變化，所以電路中要有延遲環節來確定每種狀態維持的時間。下圖（圖4）是矩形發生器電路，它由反相輸入的滯回比較器和RC電路組成。RC回路既作為延遲環節，又作為反饋網絡，通過RC充，放電實現輸出狀態的自動轉換。圖4矩形發生電路圖（4）中滯回比較器的輸出電壓＝閾值電壓，即：Uo=±Uz,又±Ut=±R1Uz/(R1+R2)因而電壓傳輸特性如圖（5）所示。圖5電壓傳輸特性設某一時刻輸出電壓Uo=+Uz，則同相輸入端電位Up=+Ut。Uo通過R3對電容C正向充電，如圖中實線所示：反相輸入端電位Un隨時間t增長而逐漸升高，當t趨近于無窮是，Un趨于+Uz；但是，一旦Un=+Ut，再稍增大，Uo就從+Uz躍變為-Uz，與此同時Up從+Ut躍變為-Ut。隨后，Uo又通過R3對電容C反向充電，或者說放電。反相輸入端電位完整電路圖Un隨時間t增長而逐漸降低，當t趨近于無窮時，Un趨于-Uz；但是，一旦Un=-Ut，再稍減小，Uo就從-Uz躍變為+Uz，與此同時Up從-Ut躍變為+Ut，電容又開始正向充電。上述過程周而復始，電路產生了自激振蕩。2．三角形波發生器電路在方波發生電路中，當滯回比較器的閾值電壓數值比較小時，可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。但是，一方面這個三角波的線性度較差，另一方面帶負載后將使電路的性能產生變化。實際上，只要將方波電壓作為積分運算電路的輸入，在積分運算的輸出就得到三角波電壓。如圖（6）所示。圖6三角波產生電路3．電源電路串聯式穩壓電源：由變壓→整流→濾波→穩壓，即可得到穩定的直流電壓源。查模電書可知：因此這里取R9=500,R10=1K圖7輸出電壓可調的穩壓電源四、單元電路計算1.頻率計算公式：由于R3是可調電阻，可調范圍為0~100K，所以頻率f的可調范圍為500~50M。當可調電阻R3為10K時，達到本次設計要求的5KHz。在本次設計中，為了滿足負載的需要，在集成運放的輸出端加穩壓管限幅電路，從而獲得合適的Ut。為了產生幅度相同的矩形波，兩個穩壓管的特性必須相同，如圖（6）。本次設計采用兩穩壓管反向串接，其中穩壓電壓為14V，正向導通電壓為0.9717V。所以Uz的值為14.9717V。2.幅度的計算公式：±Ut=±R1Uz/R2Ut=±14.9717V。如果電路圖僅此而已，如下圖（8）所示，則幅度改變的話，頻率就跟著改變。如何使調頻率和調幅度不相互影響？圖8幅度改變頻率就跟著改變的信號發生器圖9對應圖（8）的信號發生器輸出波形可以在輸出端Ut處加一跟隨器，這樣調頻和調幅可互不影響。如下圖圖（10）所示：圖10調頻和調幅可互不影響的信號發生器圖11對應圖（10）的調頻和調幅可互不影響的信號發生器輸出波形這樣調頻率則調R3，調方波幅度則調R6，調三角波幅度則調R7，所以方波輸出幅度的范圍為0V~14.9717V，當電阻R6為20K*6%=1.2K時，達到本次設計的要求14V。三角波輸出幅度范圍為0V~14.9717V，當電阻R7為20K*66%=13.4K時，達到本次設計的要求5V。五、總原理圖及元器件清單1．總原理圖（1）用EWB仿真設計a．用EWB繪制的電路圖：圖12EWB繪制波形發生器b．用EWB仿真的波形圖圖13EWB繪制波形發生器仿真結果此時即為設計要求的值。（2）用Protel模擬電路a.用Protel繪制的原理圖圖14電路原理圖b.用Protel繪制的PCB板：圖15PCB電路圖（3）元件清單及封裝（表一）序號元件型號主要參數