正弦波方波三角波課程設(shè)計(jì)名稱:設(shè)計(jì)制作一個(gè)方波\三角波\正弦波\鋸齒波發(fā)生器摘要函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。該電路可為實(shí)驗(yàn)室提供波形頻率范圍為0.02Hz~20kHz，幅值2v的穩(wěn)定信號(hào)源。大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，有效的簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)的操作步驟，是實(shí)驗(yàn)室小型電路信號(hào)發(fā)生器的理想所選，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。此信號(hào)發(fā)生器采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由以下三個(gè)模塊組成，即正弦波發(fā)生器模塊、方波發(fā)生器模塊、三角波發(fā)生器模塊。在設(shè)計(jì)此函數(shù)信號(hào)發(fā)生器時(shí)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，使設(shè)計(jì)起來(lái)更加簡(jiǎn)單、容易、條理清晰。同時(shí)調(diào)試起來(lái)也更容易。經(jīng)過(guò)一系列的分析、準(zhǔn)備，本次設(shè)計(jì)除在美觀方面處理得不夠得當(dāng)之外,完成了全部的設(shè)計(jì)要求。2關(guān)鍵詞:函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、LM324、集成運(yùn)算放大器、晶體管差分放大目錄前言???????????????????????????????????????????????????????????4第一章函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)要求?????????????????????????????????????5波形發(fā)生器的特點(diǎn)及應(yīng)用??????????????????????????????????5設(shè)計(jì)任務(wù)及要求??????????????????????????????????????????5第二章電路設(shè)計(jì)原理及單元模塊???????????????????????????????????6設(shè)計(jì)原理?????????????????????????????????????????????????6單元模塊?????????????????????????????????????????????????6RC選頻振蕩模塊???????????????????????????????????????6過(guò)零比較器???????????????????????????????????????????8產(chǎn)生三角波模塊?????????????????????????????????????????9第三章安裝與調(diào)試??????????????????????????????????????????????123電路的安裝???????????????????????????????????????????????12電路的調(diào)試???????????????????????????????????????????????12電路的分析???????????????????????????????????????????????13結(jié)論??????????????????????????????????????????????????????????14參考文獻(xiàn)????????????????????????????????????????????????????????14附錄一?????????????????????????????????????????????????????????15附錄二?????????????????????????????????????????????????????????16前言科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。三次工業(yè)革命使我們的社會(huì)發(fā)生了翻天覆地的變化，使我們由手工時(shí)代進(jìn)入了現(xiàn)代的電器時(shí)代。同時(shí)科技在國(guó)家的國(guó)防事業(yè)中發(fā)揮了重要的作用，只有科技發(fā)展了才能使一個(gè)國(guó)家變得強(qiáng)大。而作為二十一世紀(jì)的主義，作為一名大學(xué)生，不僅僅要將理論知識(shí)學(xué)會(huì)，更為重要的是要將所學(xué)的知識(shí)用于實(shí)際生活之中，使理論與實(shí)踐能夠聯(lián)系起來(lái)。波形發(fā)生器在實(shí)際生活中有很重要的作用，影響著科技的發(fā)展，在當(dāng)今社會(huì)又好又快的生活方式是人們所向往的，因此作為一名學(xué)習(xí)知識(shí)的青年，應(yīng)該學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)，設(shè)計(jì)出是人民滿意的東西，產(chǎn)出人性化和自能化的電子產(chǎn)品，另一方面電子產(chǎn)品不斷的更新，需要我們更加扎實(shí)的基礎(chǔ)。本設(shè)驗(yàn)主要完成正弦波-方波-三角波之間的轉(zhuǎn)換，在調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值時(shí)產(chǎn)生不同的波形，當(dāng)電阻調(diào)大或調(diào)小都會(huì)影響其波形的失真，由RC選蘋振蕩電4路產(chǎn)生正弦波，用過(guò)零比較器產(chǎn)生方波，方波的基礎(chǔ)上有兩種方法產(chǎn)生三角波，一種是通過(guò)積分電路產(chǎn)生三角波，另一種通過(guò)低通濾波，兩種電路各有所長(zhǎng)。整個(gè)電路的設(shè)計(jì)借助于multisim2010仿真軟件和數(shù)字邏輯電路相關(guān)理論知識(shí)，并在multisim2010下設(shè)計(jì)和進(jìn)行仿真，得到了預(yù)期的結(jié)果。第一章波形發(fā)生器設(shè)計(jì)要求波形發(fā)生器的特點(diǎn)及應(yīng)用隨著社會(huì)文明的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的電子技術(shù)在各個(gè)近代學(xué)科門類和技術(shù)領(lǐng)域中占有不可或缺的核心地位。在我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展進(jìn)程中，電子技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。而波形發(fā)生器恰恰是電子技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分。該波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且制作方便使用范圍廣，具有連續(xù)可調(diào)的波形頻率，其波形幅值穩(wěn)定。該波形發(fā)生器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單因此消耗電量低且攜帶方便，能夠極大的滿足我們實(shí)驗(yàn)要求。設(shè)計(jì)任務(wù)及要求基本要求:?輸出波形頻率范圍為0.02Hz~20kHz且連續(xù)可調(diào);5?正弦波幅值為?2V，;?方波幅值為2V;?三角波峰-峰值為2V，占空比可調(diào);?設(shè)計(jì)電路所需的直流電源可用實(shí)驗(yàn)室電源。設(shè)計(jì)任務(wù)及目標(biāo):根據(jù)原理圖分析各單元電路的功能;熟悉電路中所用到的各集成芯片的管腳及其功能;進(jìn)行電路的裝接、調(diào)試，直到電路能達(dá)到規(guī)定的設(shè)計(jì)要求;寫出完整、詳細(xì)的課程設(shè)計(jì)報(bào)告。第二章電路設(shè)計(jì)原理與單元模塊電路設(shè)計(jì)原理:為了能夠產(chǎn)生方波、正弦波、三角波、鋸齒波，我們?cè)陔娐返脑O(shè)計(jì)中運(yùn)用了波形的轉(zhuǎn)換。以正弦波-方波-三角波(鋸齒波)轉(zhuǎn)換為思路，設(shè)計(jì)電路。因此在設(shè)計(jì)電路時(shí)，充分考慮到它們的相互轉(zhuǎn)換，電路由三部分組成，第一部分通過(guò)RC選頻振蕩產(chǎn)生正弦波，第二部分在正弦波發(fā)生的基礎(chǔ)上，通過(guò)過(guò)零比較器產(chǎn)生方波，第三部分在方波的基礎(chǔ)上產(chǎn)生三角波，因?yàn)榉讲ㄗ內(nèi)遣ㄓ袃煞N方案:(1)方波通過(guò)低通電路產(chǎn)生三角波。(2)方波通過(guò)積分電路產(chǎn)生三角波。在方波占空比可調(diào)的情況下，則通過(guò)調(diào)節(jié)方波占空比，可得到鋸齒波。2(1單元模塊RC正弦波發(fā)生器過(guò)零比較器積分電路信號(hào)發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等6電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件(如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器S101全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由集成運(yùn)算放大器，通過(guò)波形轉(zhuǎn)換得到各種輸出波形。式振蕩電路得到正弦波，再通過(guò)過(guò)零比較器，從而得到方波。最后由RC橋由積分電路，得到三角波。而因?yàn)榉讲ㄕ伎毡瓤烧{(diào)，因此通過(guò)占空比的調(diào)節(jié)得到鋸齒波。RC選頻振蕩模塊RC橋式振蕩電路及工作原理RC橋式正弦振蕩電路如下圖所示。其中R1、C1和R2、C2為串、并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，接于運(yùn)算放大器的輸出與同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，以產(chǎn)生正弦自激振蕩。R3、RW及R4組成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)RW可改變負(fù)反饋的反饋系數(shù)，從圖2.1.1RC橋式振蕩電路而調(diào)節(jié)放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振蕩的幅度條件。1+R/R=3為了保證電路起振1+R/R>3,R二R+（R//r），當(dāng)R=R=R時(shí)，C=C=C時(shí)。f3f3fw4D1212〃電路的振蕩頻率:f=1/2RC，起振的幅值條件:R/R2。f2為了使振蕩幅度穩(wěn)定，通常在放大電路的負(fù)反饋回路里加入非線性元件來(lái)自動(dòng)調(diào)整負(fù)反饋放大電路的增益，從而維持輸出電壓幅度的穩(wěn)定。圖中的兩個(gè)二極7管D1,D2便是穩(wěn)幅元件。當(dāng)輸出電壓的幅度較小時(shí)，電阻R4兩端的電壓低，二極管D1、D2截止，負(fù)反饋系數(shù)由R3、RW及R4決定;當(dāng)輸出電壓的幅度增加到一定程度時(shí)，二極管D1、D2在正負(fù)半周輪流工作，其動(dòng)態(tài)電阻與R4并聯(lián)，使負(fù)反饋系數(shù)加大，電壓增益下降。輸出電壓的幅度越大，二極管的動(dòng)工作原理及電路圖態(tài)電阻越小，電壓增益也越小，輸出電壓的幅度保持基本穩(wěn)定。為了維持振蕩輸出，必須讓調(diào)整電阻RW（即改變了反饋R），使電路起振，f且波形失真最小。如不能起振，則說(shuō)明負(fù)反饋太強(qiáng)，應(yīng)適當(dāng)加大R，如波形失f真嚴(yán)重，則應(yīng)適當(dāng)減少R。f改變選頻網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)C或R，即可調(diào)節(jié)振蕩頻率。一般采用改變電容C作頻率量程切換（粗調(diào)），而調(diào)節(jié)R作量程內(nèi)的頻率細(xì)調(diào)。RC振蕩電路采用RC選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的振蕩電路稱為RC振蕩電路，它適用于低頻振蕩，一般用于產(chǎn)生1Hz~1MHz的低頻信號(hào)。因?yàn)閷?duì)于RC振蕩電路來(lái)說(shuō)，增大電阻R即可降低振蕩頻率，而增大電阻是無(wú)需增加成本的。常用LC振蕩電路產(chǎn)生的正弦波頻率較高，若要產(chǎn)生頻率較低的正弦振蕩，勢(shì)必要求振蕩回路要有較大的電感和電容，這樣不但元件體積大、笨重、安裝不便，而且制造困難、成本高。因此，200kHz以下的正弦振蕩電路，一般采用振蕩頻率較低的RC振蕩電路。常用的RC振蕩電路有相移式和橋式兩種。RC移相式振蕩器，具有電路簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)，但選頻作用較差，振幅不夠穩(wěn)定，頻率調(diào)節(jié)不便，因此一般用于頻率固定、穩(wěn)定性要求不高的場(chǎng)合。其振蕩頻率是RCfo=1/2nRC橋式振蕩器將RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)和放大器結(jié)合起來(lái)即可構(gòu)成RC8振蕩電路，放大器件可采用集成運(yùn)算放大器。如圖2.1.2所示，RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的輸出端和同相輸入端之間，構(gòu)成正反饋，R、R1接在運(yùn)算放大器的輸出端和反f相輸入端之間，構(gòu)成負(fù)反饋。正反饋電路和負(fù)反饋電路構(gòu)成一文氏電橋電路，運(yùn)算放大器的輸入端和輸出端分別跨接在電橋的對(duì)角線上，所以，把這種振蕩電路稱為RC橋式振蕩電路。(如圖2.1.2)振蕩信號(hào)由同相端輸入，故構(gòu)成同相放大器，輸出電壓Uo與輸入電壓Ui同相，其閉環(huán)電壓放大倍數(shù)等于Au=Uo/Ui=1+(R/R1)。而fRC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)在3=3o=1/RC時(shí)，F(xiàn)u=1/3,￡f=o?，所以，只要|Au|=1+(R/R1)>3,即R>2R1,振蕩電路就能滿足自激振蕩的振幅和相位起ff振條件，產(chǎn)生自激振蕩，振蕩頻率fo等于fo=1/2nRC過(guò)零比較器工作原理及電路圖在實(shí)用電路中為了滿足負(fù)載的需要，常在集成運(yùn)放的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路，從而獲得合適的U和U，如圖2.1.4所示。圖中R為限流電阻，兩只穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓均應(yīng)小于集成運(yùn)放的最大OHOL輸出電壓U。設(shè)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為D，穩(wěn)壓管UD的穩(wěn)定電壓為,UU和U的正向?qū)妷篛MZ1Z1Z2Z2Z1Z2均為U。D/當(dāng)uvO時(shí)，由于集成運(yùn)放的輸出電壓二+U,uD使工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，工作在正向?qū)顟B(tài)，DIOOMZ1Z2所以輸出電壓u=U=(U+U)OOHZ1D/當(dāng)u>0時(shí)，由于集成運(yùn)放的輸出電壓二-U，uD使工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，工作在正向?qū)顟B(tài)，DIOOMZ2Z1所以輸出電壓u=U=-(U+U)兩只穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值相同。若要求，=U則可以采用兩只特性相同UOOLZ20Z1Z2而又制作在一起的穩(wěn)壓管，其符號(hào)如圖(b)所示，穩(wěn)定電壓標(biāo)為?U。Z當(dāng)uv0時(shí)，u=U=U;IOOHZ9當(dāng)u>0時(shí)，u=U=-U。IOOLZ方波產(chǎn)生原理:由正弦波通過(guò)過(guò)零比較器轉(zhuǎn)化為方波，穩(wěn)壓管有限幅的作用，使其輸出的信號(hào)通過(guò)穩(wěn)壓管的作用，產(chǎn)生方波，而且可以按照要求控制在2V左右。在正弦波到三角波之間接了一個(gè)3K電阻，促進(jìn)其平衡，還使用了IN47352V的穩(wěn)壓管達(dá)到題目的要求，同時(shí)還使用了外接電源+15V，-15V?；跐M足穩(wěn)定電壓兩伏，因此就接了一個(gè)兩伏的穩(wěn)壓管;由于正弦波到方波需要一個(gè)過(guò)零比較器，之間就接了-個(gè)3k歐的電阻，產(chǎn)生2V穩(wěn)定的方波。圖2.1.4滯回比較器三角波產(chǎn)生模塊三角波的穩(wěn)定電壓均應(yīng)小于集成運(yùn)放的最大輸出電壓U。設(shè)穩(wěn)壓管D的穩(wěn)OMZ1定電壓為U,穩(wěn)壓管D的穩(wěn)定電壓為U,U和U的正向?qū)妷壕鶠閁。Z1Z2Z2Z1Z2D/當(dāng)uvO時(shí)，由于集成運(yùn)放的輸出電壓u=+U,D使工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，D工IOOMZ1Z2作在正向?qū)顟B(tài)，所以輸出電壓U=U=(U+U)OOHZ1D/當(dāng)u>0時(shí)，由于集成運(yùn)放的輸出電壓u=-U,D使工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，D工IOOMZ2Z1作在正向?qū)顟B(tài)，所以輸出電壓U=U=-(U+U)0OLZ2D若要求，U=U則可以采用兩只特性相同而又制作在一起的穩(wěn)壓管，穩(wěn)定電壓標(biāo)Z1Z2為?U。Z當(dāng)u<0時(shí)，U=U=U;IOOHZ10當(dāng)u>0時(shí)，U=U=-U。I0OLZ三角波信號(hào)產(chǎn)生原理:在方波發(fā)生電路中，當(dāng)滯回比較器的閥值電壓數(shù)值較小時(shí)，可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。但是，一方面這個(gè)三角波的線性度較差，另一方面帶負(fù)載后將使電路的性能產(chǎn)生變化。實(shí)際上，只要將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在其輸出就得到三角波電壓，如圖2.1.5所示。當(dāng)方波發(fā)生電路的輸出電壓U=+U時(shí)，積分運(yùn)算電路的輸出電壓Uo將線性下降;而當(dāng)U-U時(shí)，U將線性01z01=Z0上升;波形如圖2.1.6所示。圖2.1.6波形分析而在占空比調(diào)整上的設(shè)計(jì)有下列兩種思路:1、 頻率(周期)不變，脈寬改變，其方法如下:改變電平的幅度，亦即改變方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度，即可達(dá)到改變脈寬而頻率不變的特性，但其最主要的缺點(diǎn)是占空比一般無(wú)法調(diào)到20%以下，導(dǎo)致在采樣電路實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)瞬時(shí)信號(hào)所采集出來(lái)的信號(hào)有所變動(dòng)，11如果要將此信號(hào)用來(lái)作模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換，那么得到的數(shù)字信號(hào)就發(fā)生變動(dòng)而無(wú)所適從。但不容否認(rèn)的在使用上比較好調(diào)。2、 占空比變，頻率跟著改變，其方法如下:將方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度予以固定(正、負(fù)可利用電路予以切換)，改變充放電斜率，即可達(dá)成。這種方式的設(shè)計(jì)一般使用者的反應(yīng)是“難調(diào)”，這是大缺點(diǎn)，但它可以產(chǎn)生10%以下的占空比卻是在采樣時(shí)的必備條件。2.1.3.對(duì)照采用了兩種積分電路方案1:采用了低通產(chǎn)生三角波器電路圖如下:圖2.1.7方案2:采用了積分電路，電路圖如下所示:圖2.1.8就電路的設(shè)計(jì)而言，除應(yīng)用轉(zhuǎn)換器原理外，還可利用單獨(dú)的波形發(fā)生電路，制作發(fā)生器。即以單個(gè)發(fā)生電路分別產(chǎn)生方波、三角波、正弦波、鋸齒波，但由于此類方法對(duì)元器件消耗較大，并且在焊接上也相對(duì)比較麻煩。因此，本方案采用的是，利用波形轉(zhuǎn)換的原理設(shè)計(jì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。第三章安裝與測(cè)試電路的安裝電路安裝要注意幾個(gè)原則:1.先矮后高、先小后大、先放耐焊元器件等;2.布線盡量使電源線和地線靠近實(shí)驗(yàn)電路板的周邊，以起一定的屏蔽作用;最好分模塊安裝。此外焊接時(shí)不能出現(xiàn)虛焊、假焊、漏焊，更不能出現(xiàn)過(guò)焊，因?yàn)橛行┢骷荒苣透邷?，比如焊接三極管時(shí)，電烙鐵絕對(duì)不能停留太久;4（在焊接的時(shí)候要注意盡量少用導(dǎo)線連接電路，用焊錫絲連接電路，使作品更為美觀;5.在布局上要合理的安排電路。電路的調(diào)試調(diào)試時(shí)應(yīng)小心謹(jǐn)慎，電路安裝完畢后，首先應(yīng)檢查電路的電源線和地線的走向，防止因?yàn)殡娫淳€或地線接錯(cuò)而導(dǎo)致燒壞芯片或者是電源等現(xiàn)象。然后接電調(diào)試。如果遇到問(wèn)題，則應(yīng)該根據(jù)產(chǎn)生的問(wèn)題，加上對(duì)原理圖的分析，首先找到可能出錯(cuò)的地方，在調(diào)試過(guò)程中先要接好線，特別是接電源線，一個(gè)是正15V,另一個(gè)是-15V，而且在接線時(shí)接地端要連接好，要連接在一起，在接正弦波產(chǎn)生電路時(shí)，我們可能需要通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)改變輸出信號(hào)的波形，在調(diào)節(jié)時(shí)要均勻的調(diào)，不能太快，容易失真，而且在檢查電路時(shí)應(yīng)盡量用萬(wàn)用表測(cè)量每一個(gè)支路是否導(dǎo)通或是有存在虛焊現(xiàn)象，在保證每一條支路導(dǎo)通的情況下，才能得到想要的結(jié)果。因?yàn)橐莊o=1/2兀RC，因此為我們?cè)陔娐分袑⒍ㄖ惦娮钃Q成了滑動(dòng)變阻器。從而使得達(dá)到調(diào)節(jié)頻率，及調(diào)節(jié)占空比的效果。在各部分電路中，都連接有滑動(dòng)變阻器，便于頻率及對(duì)失真等狀況的調(diào)節(jié)。特別在三角波轉(zhuǎn)換部分，通過(guò)滑動(dòng)變阻器對(duì)方波占空比的調(diào)節(jié)。則可在三角波的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)節(jié)得到鋸齒波。相對(duì)獨(dú)立發(fā)生電路而言，這樣更加簡(jiǎn)化了電路。電路的分析本電路是通過(guò)產(chǎn)生正弦波方波三角波三種波形轉(zhuǎn)換而來(lái)的，由RC選頻振蕩產(chǎn)生正弦波，而正弦波通過(guò)過(guò)零比較器轉(zhuǎn)換為方波，方波通過(guò)積分電路，最后產(chǎn)生三角波，前后頻率保持一致，電路要產(chǎn)生2V的穩(wěn)壓方波，就需要2V的穩(wěn)壓管，同時(shí)在外面還要加上+15V和-15V電源，從而保證有足夠的電壓，通過(guò)全過(guò)程的布局，實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的結(jié)果，產(chǎn)生了正弦波，出現(xiàn)了方波，三角波。根據(jù)分析原理，通過(guò)方波占空比的調(diào)節(jié)可得到鋸齒波。但在我們制作的成