《模擬電子》課設--正弦波-方波-三角波產生電路資料

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1、模擬電子技術 課程設計報告 課程設計報告 1．設計課題 設計正弦波 -方波 -三角波產生電路 2．課程設計目的 《模擬電子技術課程設計》 是學習理論課程之后的實踐教學環(huán)節(jié)。 目的是通 過解決實際問題來鞏固和加深在 《模擬電子技術》 課程中所學的理論知識和實驗 技能。設計訓練學生綜合運用學過的電子技術基礎知識，并去完成查找資料， 選 擇、論證方案，設計電路，安裝調試，分析結果，撰寫報告等工作。使學生初步 掌握模擬電子電路設計的一般方法步驟，通過理論聯(lián)系實際提高和培養(yǎng)學生分 析、解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力，為后續(xù)課程的學習、畢業(yè)設計和畢業(yè)后的 工作打下一定的基礎。本實驗用 Multi

2、sim 軟件完成正弦波 - 方波- 三角波產生電 路的設計。 3．系統(tǒng)知識介紹 函數信號發(fā)生器根據用途不同， 有產生三種或多種波形的函數發(fā)生器， 其電 路中使用的器件可以是分離器件，也可以是集成器件，產生方波、正弦波、三角 波的方案有多種。如先運用 RC 橋式正弦波振蕩電路產生正弦波，根據周期性的 非正弦波與正弦波所呈的某種確定的函數關系， 再通過滯回比較器將正弦波轉化 為方波，最后經過積分電路后將其變?yōu)槿遣ā? 4．電路方案與系統(tǒng)、參數設計 （1）電路系統(tǒng)設計 本次設計采用 RC 橋式正弦波振蕩電路產生正弦波， 此電路的振蕩頻率較低， 一般在 1MHz 以下，基本符合本設計的參數要

3、求， 它是以 RC 串并聯(lián)網絡為選頻 網絡和正反饋網絡， 以電壓串聯(lián)負反饋放大電路為放大環(huán)節(jié)，以二極管結合電阻構 成穩(wěn)幅電路，具有振蕩頻率穩(wěn)定，帶負載能力強，輸出電壓失真小等優(yōu)點。 通過滯回比較器將正弦波轉化為方波，采用雙穩(wěn)壓二極管用于輸出電壓的限 幅，后通過電壓跟隨器提高帶負載能力。 最后通過一個積分電路將正弦波轉化為三角波， 采用兩個電容分別滿足低頻 與高頻的要求，在最大程度上減小三角波的失真度。 （2）電路功能框圖 本次設計采用RC橋式正弦波振蕩電路產生正弦波，然后通過滯回比較器將 正波轉化為方波，最后通過一個積分電路將正弦波轉化為三角波， 其具體功能框 圖如圖（1）所示：

4、 圖（1）電路功能框圖 （3）元器件與參數設計 整體電路采用型號為 THS4501CD的高速全差分運算放大器，工作電壓為 +/-15V，正弦波的穩(wěn)壓采用型號為 1N4148的二極管，方波的穩(wěn)幅采用型號為 ZPD5.1的穩(wěn)壓二極管。其他可變與定值電阻、電容詳見元器件清單表。 ① 正弦波—— RC橋式正弦波振蕩電路（如圖（2）所示） 圖（2） RC橋式正弦波振蕩電路 參數設定 1. RC串并聯(lián)網絡為選頻網絡和正反饋網絡， 由圖（2）中RC的值，來確定此選頻網絡的頻率 = 1.59KHz 1_ 1 2 二 RC 2 3.14 104 10》 在正弦波調頻的過程中，

5、只需要改變電阻R與電容C的大小，就可以改變正 弦波的頻率，實現(xiàn)頻率從100HZ~20KH范圍內連續(xù)可調，在整體電路設計中均采 取可變器件實現(xiàn)了這一要求。 2.確定 R和R（在圖（2）中R=R+R+Rrd//R 1的值） 由振蕩的振幅條件可知，要使電路起振， R應略大于2R,通常取R=2.1R3。 以保證電路能起振和減小波形失真。 取標稱值：R 3=1.1k ",所以:Rf=2.1Ra=2.31^1. 為了達到最好效果，Rf與F3的值還需通過實驗調整后確定。 3 .確定穩(wěn)幅電路及其元件值 穩(wěn)幅電路由R1和兩個接法相反的二極管D、D2并聯(lián)而成，如圖⑵ 所示。穩(wěn)幅二極管D、D2應選用

6、溫度穩(wěn)定性較高的硅管。 當通過電流不同時，二極管的動 態(tài)電阻不同，引入非線性環(huán)節(jié)，從而穩(wěn)定輸出電壓。而且二極管 D、D2的特性必 須一致，以保證輸出波形的正負半周對稱。 通過微調R的阻值，實現(xiàn)電壓的微調，使幅值穩(wěn)定在 6V。 4 . Ri的確定 由于二極管的非線性會引起波形失真， 因此，為了減小非線性失真，可在二 極管的兩端并上一個阻值與rd （rd為二極管導通時的動態(tài)電阻）相近的電阻 Ri, （R —般取幾千歐，在本例中取 R=1S。）然后再經過實驗調整，以達到最好效 果。 ② 正弦波轉化為方波一一滯回比較器（如圖（3）所示） VCC U3 R7 10k Q 15V i

7、 4 R10 —4 ?，… 5k Q 5 2 THS4501CD R15 10k Q -15V VEE 110k Q D5 ZPD5.1 D3 ZPD5.1 圖（3）滯回比較器 圖（3）為滯回比較器電路，雙穩(wěn)壓管用于輸出電壓限幅，輸出電壓要求為 6V，通過改變穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓。 R7起限流作用，本設計采取 10K Q，R9 和R10構成正反饋，運算放大器當Up>Un時工作在正飽和區(qū)，而當Un>Up時工作在 負飽和區(qū)。從電路結構可知，當輸入電壓 Ui小于某一負值電壓時，輸出電壓 Uo= -Uz；當輸入電壓Ui大于某一電壓時，Uo= +Uz。又由于“虛斷”、

8、“虛短” Up=Un=0, 由此可確定出翻轉時的輸入電壓。Up用Ui和Uo表示，有 Up 1 . 1 ui Uo R，1 R2 丄?丄 R25 Ru。 R1 R2 R1 R2 得此時的輸入電壓 Ui R R2 Uo 二 mU th Uth稱為閾值電壓。滯回電壓比較器的直流傳遞特性如圖（4）所示。設輸入 電壓初始值小于-Uth，此時Uo= -Uz ；增大U,當Ui=Uth時，運放輸出狀態(tài)翻轉， 進入正飽和區(qū)。如果初始時刻運放工作在正飽和區(qū)，減小 Ui，當Ui= -Uth時，運 放則開始進入負飽和區(qū)。 Uz 1 1 J ' Uin -Ut

9、h] 0 i i i Uth 「 -Uz 圖（4）滯回電壓比較器的直流傳遞特性 ③ 方波轉化為三角波 積分電路（如圖（5）所示）  圖中，先接入一個電壓跟隨器，提高其帶負載能力，后連接積分電路，同相 輸入端接地，連入一 10kQ的電阻，平衡電路。電阻 Rii和R14為改變三角波的 幅值，其阻值根據仿真結果具體調整。 Ri2為限流電阻由于輸入端不取電流，同 相端電位為零，反相端虛地，流過電容的電流與流過電阻的電流相等經計算可知 當輸入方波時輸出為三角波。 三角波的幅值： vi ic = iR =- R 1 1 vo icdt vidt C RC

10、 L Uom Vc R1C1 考慮到要求輸出波形的頻率要求，因此通過開關選擇不同的電容值， C5為 低頻，C6為高頻。 （4）電路圖與器材清單表 整體設計電路圖（如圖（6）所示）  器材清單表 器件名稱 型號（參數） 數量（個） 運算放大器 THS4501CD 4 二極管 IN4148 2 穩(wěn)壓二極管 ZPD5.6 2 開關 Key=Space 1 可變電容 100 nF 2 電容 1nF、13nF、1.1 卩 F 2/1/1 電位器 12kQ、2.5kQ、50kQ 2/1/1/1 電位器 100Q 1 電阻

11、10kQ 4 電阻 1kQ、1.1kQ、1.8kQ 1/1/1 電阻 6kQ、5kQ、100kQ 2/1/1 （5）電路仿真 輸出波形頻率: 脅氐率計^XFC3 周期 測里 上 ft/TFf 耦臺 觸發(fā)電平 la 廠緩變信號 DC 16  正弦波: 停示渡器-XSC1 正弦波的頻率在 6V。 100HZ~20KHZ范圍內連續(xù)可調；正弦波的輸出信號幅值為 巒失真分^f-XDAl 正弦波失真度 三5% 方波： 帶示液器-XSC1 方波的頻率在100HZ~20KH范圍內連續(xù)可調；方波的輸出信號幅值為

12、6V。 三角波： 爺 ^iSS-XSCl . 狂 通道丿 通道」 通道R 時間 刪H70 ms 通道式 ■3.052V 比例(500 us/Div 比例麗伽 xfcS [o M靖 [o.a [y/T A/B| A4B) ac| 0 Ifoc" - I 「 T2<1 邊沿孑丄|外部「 電平 [o [V~ 正刻標淮I自動際巧外部1 三角波的頻率在100HZ~20KH范圍內連續(xù)可調；三角波輸出信號幅值為0~2V 連續(xù)可調。 整體仿真波形： 5 ?設計總結 (1) 在本次設計中，整體的分工情況如下： 孫強、張晨：整體方案的設計 張

13、晨：負責資料的收集與整理以及報告分析、總結等撰寫 孫強：負責仿真及報告中電路設計部分的撰寫 在整個設計過程中，遇到問題共同分析解決，理論結合實際，最后完成的本 次設計任務。 在分析，查閱相關資料后，形成了一下幾種設計方案：方案一：首先產生方 波和三角波，然后運用差分放大電路將三角波產生正弦波；方案二： 運用集成芯 片ICL8038結合外部電路產生正弦波、方波和三角波；方案三：運用 RC橋式正 弦波振蕩電路產生正弦波，再通過滯回比較器將正弦波轉化為方波， 最后經過積 分電路后將其變?yōu)槿遣ā? 對于方案一，考慮到對于差分放大電路的電路圖比較復雜，并且一旦三角波 失真度高，會導致正弦波失真

14、，無法滿足題目要求。對于方案二，雖然其失真度 易于實現(xiàn)，可在調節(jié)頻率時沒有滿足要求，其基本電路圖如圖（ 7）所示，因此 本設計采用方案三，唯一的不足在于三角波波形不穩(wěn)定。 圖（7）ICL8038及其外圍電路 （2） 運用multisim仿真軟件，從電路圖的設計、實現(xiàn)、仿真到實驗報告，我們 都有自己的努力，在這短短的幾天內， 從課本理論知識到實際的理解， 從題目中 的簡單計算到設計運用中的精心推敲，我們把模電知識的學習上升了一個層次， 真正賦予了這門課程實際意義與價值。我們充分認識到理論結合實際的重要性， 在設計過程中，我們依然會遇到一些難題，這暴露了我們理論知識掌握不夠全面 的

15、弱點。于是，遇到難題的時候，我們及時回歸理論，向書本和網絡求教，這種 互為補充的過程幫助我們發(fā)現(xiàn)不足， 完善自己的只是構架，體現(xiàn)了理論與實踐并 行的意義。希望這次設計實踐是一次全新的開始，我們可以在此基礎上提高創(chuàng)新 意識，發(fā)散創(chuàng)新思維，在專業(yè)方面做得更好！ （3） 進度與時間：2014年12月25日~2014年12月31日 （4） 本次設計中存在一點不足：產生三角波的波形不穩(wěn)定。由于積分電路中電 容的選取問題，導致三角波波形不穩(wěn)定，本設計有待完善， 。 6．主要參考文獻 [1] 康華光 .電子技術基礎—模擬部分 .北京 :高等教育出版社 ,2013.12 設計及仿真報告 設計名稱

16、： 設計正弦波-方波-三角波產生電路 一、 課程設計的目的 《模擬電子技術課程設計》是學習理論課程之后的實踐教學環(huán)節(jié)。目的是通 過解決實際問題來鞏固和加深在 《模擬電子技術》課程中所學的理論知識和實驗 技能。設計訓練學生綜合運用學過的電子技術基礎知識，并去完成查找資料， 選 擇、論證方案，設計電路，安裝調試，分析結果，撰寫報告等工作。使學生初步 掌握模擬電子電路設計的一般方法步驟，通過理論聯(lián)系實際提高和培養(yǎng)學生分 析、解決實際問題的能力和創(chuàng)新能力， 為后續(xù)課程的學習、畢業(yè)設計和畢業(yè)后的 工作打下一定的基礎。本實驗用 Multisim 軟件完成正弦波-方波-三角波產生電 路的設計。 設計

17、所用儀器設備（包括仿真用的設備） 器材清單表: 器件名稱 型號（參數） 數量（個） 運算放大器 THS4501CD 4 二極管 IN4148 2 穩(wěn)壓二極管 ZPD5.6 2 開關 Key=Space 1 可變電容 100 nF 2 電容 1nF、13nF、1.1 卩 F 2/1/1 電位器 12kQ、2.5kQ、50kQ 2/1/1 電位器 100Q 1  電阻 10kQ 4 電阻 1kQ、1.1kQ、1.8kQ 1/1/1 電阻 6kQ、5kQ、100kQ 2/1/1 四綜示波器 一 一一 1 失真分析儀

18、 1 萬用表 3 頻率計 3 三、設計所用電路 XDA1 THD R1 □□□ * 1kQ I— R16 100 Q 50% D1 f 1N41D9 Key二A VEE [-15V 1N4149 U4 R2 1.8k Q R3 1.1k THS4501CD 15V VCC C1 1rC3 6k Q R4 12k Q XSC1 VCC 15V U5 VCC 15V U3 ■15V 5k Q Key = Space THS4501CD VEE -15V Key=A R7 10k Q D3

19、ZPD5.1 R11 2.5k Q 50% 1.1uF C5 R12 10k Q 卄 13nF R14 50k Q 50% VEE ——-15V R9 Q. THS4501CD VDD C6 Key=A 50% 100 nF 50% Key=A 10k Q 110k Q D5 ZPD5.1 Key=A R6 6k Q C2 Key=A R8 12k Q 50% C4 ■聲 100 nF 孑 Key二A 50% XMM1 XFC3 XMM2 XFC2 U1 10k THS450 VCC XMM3 XFC1 R1

20、3 15V CD 四、設計仿真結果 整體仿真波形: S3 五、討論 1、 設計中發(fā)生的問題 A. 在確定設計方案時，需要考慮周全，一旦確定方案就不要更 改，對于方案中遇到的問題要仔細考慮， 尋求方法解決，切 不可遇到問題就更改方案，從而未能完成設計要求，并且造 成時間上的浪費。 B. 在調節(jié)正弦波波形時，需要仔細調節(jié)阻值，一方面需要使其 產生自激振蕩，又不能使其失真太過嚴重，因此調節(jié)阻值需 要慢慢調節(jié)。 C. 在之前調整波形的失真度時，用失真分析儀測得的失真度特 別大，后來才知道是因為使用方法不當造成的， 所以在使用 之間要仔細了解其使用方法，一面造成錯誤。 2、 建議或其它 完成本次設計的方案比較靈活，比如運用 555 定時器、 ICL8038等集成電路，或者運用RC橋式振蕩電路等運算放大器的 電路都可以實現(xiàn)本次設計的任務，因此，在選取設計方案的時候 難度較大，因此需要平衡方案的實施難度與電路本身的性能指標 之間的關系， 雖然我們可以自由選擇方案， 但是由于自身的不足， 很難很好的做出取舍。如果對于方案的利弊有了一定的認識，那 么我相信本次設計的結果一定會更好。