幅度频率可调的锯齿波发生器概要

幅度频率可调的锯齿波发生器概要 辽 宁 工 业 大 学 模拟电子技术基础课程设计(论文) 题目:幅度频率可调的锯齿波发生器 院(系): 专业班级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: 起止时间: 本科生课程设计(论文) 课程设计(论文)任务及评语 院(系): 教研室: 学 号 学生姓名 专业班级 课程设计 幅度频率可调的锯齿波发生器 (论文) 题目 设计参数: (1)现设计并制作能产生锯齿波波形信号输出的数发生器。 (2)设计电路所需的直流稳压电源。 (3)输出的波形工作频率范围0.02Hz,1kHz连续可调。 (3)方波幅值?10V，波峰峰值20V;各种输出波形幅值均连续可调。 课 程设计要求: 设1 .分析设计要求，明确性能指标。必须仔细分析课题要求、性能、指标及应用环计 )境等，广开思路，构思出各种总体，绘制结构框图。 论 文2 .确定合理的总体方案。对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、)成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案。 任 务 3 .设计各单元电路。总体方案化整为零，分解成若干子系统或单元电路，逐个设 计。 4 .组成系统。在一定幅面的图纸上合理布局，通常是按信号的流向，采用左进右 出的规律摆放各电路，并标出必要的说明。 第1天:集中学习;第2天:收集资料;第3天:方案论证;第4天:选择器件进 度进行单元电路设计;第5天:单元电路设计及仿真;第6天:整体电路设计并仿计真;第7天:电路焊接制板;第8天:焊接调试;第9天:完善设计;第10天:划 答辩。 指 导 教 师 评 语平时: 论文质量: 答辩: 及总成绩: 指导教师签字: 成 绩 年 月 日 注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 III 本科生课程设计(论文) 摘 要 在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波是常用的基本测试信号。在无线电通信，测量，自动化控制等技术领域广泛地应用着各种类型的信号发生器此外，如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向匀速搜索荧光屏。而电视机中显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要要用锯齿波电流来控制。因此锯齿波发生器是我们在学习，科学研究等方面不可缺少的工具。 设计由直流稳压电源、积分电路和迟滞比较器三部分组成。其中直流稳压电源由集成稳压器和多种电容元件构成，为信号发生器提供稳定的电压。积分电路和迟滞比较器皆由运算放大器组成。迟滞比较器产生的矩形波经积分电路转换为锯齿波。由此设计电路，经过MULTISIM仿真，基本满足设计要求。 通过焊接调试，得到预期波形。调节电阻，锯齿波频率、幅度改变。 关键词:锯齿波发生器;直流稳压电源;积分电路;迟滞比较器 IV 本科生课程设计(论文) 目 录 第1章 绪论 .......................................................... 1 1.1 幅度频率可调的锯齿波发生器概况 ............................... 1 1.2 本文研究内容 ................................................. 1 第2章 幅度频率可调的锯齿波发生器电路设计 ............................ 2 2.1 幅度频率可调的锯齿波发生器总体 ....................... 2 2.2 具体电路设计 ................................................. 2 2.2.1 迟滞比较器电路设计 ..................................... 2 2.2.2 积分器电路设计 ......................................... 4 2.2.3 直流稳压电源电路设计 ................................... 4 2.3 元器件型号选择 ............................................... 6 2.4 MULTISIM仿真、数据分析....................................... 7 2.5 实物焊接、调试与测试 ......................................... 9 第3章 课程设计总结 ................................................. 10 参考文献 ............................................................ 11 元器件 .......................................................... 12 V 本科生课程设计(论文) 第1章 绪论 1.1 幅度频率可调的锯齿波发生器概况 人类社会已经进入信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的发展。锯齿波和正弦波、三角波是常用的基本测试信号。此外，如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。例如，要在示波器荧光屏上不失真地观察到被测信号波形，要求在水平偏转板加上随时间作线性变化的电压——锯齿波电压，使电子束沿水平方向均匀搜索荧光屏。而电视机显像管荧光屏上的光点，是靠磁场变化进行偏转的，所以需要用锯齿波电流来控制。因此，锯齿波在实际中有广泛的应用。由于不同的电子产品可能需要不同频率及幅度的锯齿波，设计可调电阻就会得到与它匹配的波形，从而使得它能正常工作，使它的工作效率达到最高。 1.2 本文研究内容 根据频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标设计电路: ?设计要求:对各种方案进行比较，以电路的先进性、结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件的来源，敲定可行方案——设计一个锯齿波发生器和一个稳压源。设计各单元电路，即直流稳压电源、积分电路和迟滞比较器。 ?功能要求:输出的波形工作频率范围0.02Hz,1kHz连续可调;方波幅值?10V，波峰峰值20V;各种输出波形幅值均连续可调。 1 本科生课程设计(论文) 第2章 幅度频率可调的锯齿波发生器电路设计 2.1 幅度频率可调的锯齿波发生器总体设计方案 方案(一) 设计一个集成电路，可以直接对其进行调频调幅。这种电路的性能好，而且使用能力强，工作范围大。但是这种电路大多采用集成元件，成本较高。并且它的工艺要求较高，焊接等技术要求都很高。因此不易选择此设计方案。 方案(二) 设计一个锯齿波发生器和一个稳压源。锯齿波发生电路需要同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分器构成。这种设计基于电路简单，性能较为良好，器件选择灵活,并且器件价格便宜。因此本次设计选择此方案，总体设计框图如图 1。 图 1 总体设计框图 2.2 具体电路设计 2.2.1 迟滞比较器电路设计 滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图 2所示。 2 本科生课程设计(论文) 图 2 滞回比较器电路原理图 输入电压Ui经电阻R2加在集成运放的反相输入端，参考电压Uref经电阻R1接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rf引回同相输入端。电阻3R和背靠背稳压管VDz的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在?Uz。 图 3 滞回比较器的传输特性 在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即U+=U-时，输出端的状态将发生跳变。其中U+则由参考电压Uref及输出电压Uo二者共同决定，而Uo有两种可能的状态:+Uz或,Uz。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图 3所示。 其门限宽度U的值取决于稳压管的稳定电压Uz以及电阻R2和Rf的值，但与参考电压Uref无关。也就是说，当Uref增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。说明滞回比较器的抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT，和UT—的值，就可以避免比较器的输出 3 本科生课程设计(论文) 电压在高低电平间反复跳变。 2.2.2 积分器电路设计 图 4 积分电路 积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，可以实现对微分方程的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。 电路组成如图4，根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知:电路的输出电压Uo与电容两端的电压Uc成正比，而电路的输入电压Ui与流过电容的电流ic成正比，即Uo与Ui之间成为积分运算关系。 由于集成运放的反相输入端“虚地”，故Uo=-Ui，可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则cii=，故RiiRUci==1即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个达式可得: (1) 由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输出电压即可转变为三角波。 2.2.3 直流稳压电源电路设计 直流稳压电源是提供直流电压的电源设备，由电源变压器，整流，滤波，和稳压电路四部分组成，如图 5所示。图示为由分立元件组成的串联型稳压电源的电路图，其整流部分为单相桥式整流电路，滤波部分为电容滤波电路，稳压部分为串联稳压电路. 对输入电压的要求，输入电压的选取原则是，在最坏的条件下 4 本科生课程设计(论文) 仍能保证调整管处于放大状态，不能饱和. 对调整管的要求，晶体管的额定电流Icm应大于输出电流.晶体管的耐压应高于输入电压，晶体管的最大允许耗散功率应大于调整管集电极最大功率。 图 5 直流稳压电源的组成 图 6 直流稳压电源电路 1)电源变压器 将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压，一般次级电压u2 较小。 2)整流电路 将变压器次级交流电压u2 变成单向的直流电压u3，它包含直流成份和许多谐波分量。 3)滤波电路 滤除脉动电压u3 中的谐波分量，输出比较平滑的直流电压u4。该电压往往随电网电压和负载电流的变化而变化。 4)稳压电路 它能在电网电压和负载电流的变化时，保持输出直流电压的稳定。它是直流稳压电源的重要组成部分，决定着直流电源的重要性能指标。 具体设计如图 6 :电路中LM7812CT为稳压器，当输入电压为一定时，整个电路进入正常工作状态，输出电压应为12V，仿真结果C4两端电压为12.549V。因此，输出电压符合本实验运放所需的VCC= -VEE = 12V。 5 本科生课程设计(论文) 2.3 元器件型号选择 图 7所示为一个锯齿波发生电路。图中集成运放A1组成滞回比较器;二极管VD1、VD2和电位器Rw，使积分电路的充放电回路分开，故A2组成充放电时间常数不等的积分电路。调节电位器Rw滑动端的位置，使Rw1远小于Rw2，则电容放电的时间常数将比充电的时间常数小得多，于是放电过程很快，而充电过程很慢，即可得锯齿波。滞回比较器输出的矩形波加在积分电路的反相输入端，而积分电路输出的锯齿波又接到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变，从而在A2的输出端得到周期性的锯齿波。 图 7 幅度可调锯齿波发生器整体电路 假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。由于A1同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo有关，根据叠加原理，可得: (2) 则此时U+也为高电平。但当Uo1=+Uz时，积分电路的输出电压Uo将随着时间往负方向线性增长，U+随之减小，当减小至 U+ = U- =0时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使Uo1=-Uz，同时U+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，U+也随之增大，当增大至U+=U-=0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使Uo1=+Uz,同时U+也跳变为一个正值。然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压Uo1为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo为锯齿波。如图 8所示: 6 本科生课程设计(论文) 图 8 锯齿波发生电路的波形图 由上图可知，当Uo1发生跳变时，锯齿波输出Uo达到最大值Uom，而Uo1发生跳变的条件是:U+ = U- = 0，将条件Uo1 = - Uz，U+ = 0代入(2)式，可得: (3) 由此可解得锯齿波输出的幅度为: (4) 要使得幅度可调，由(4)式可知，改变参数R1即可，所以实际电路中R1采用滑动变阻器;调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度,从而满足设计要求。 2.4 MULTISIM仿真、数据分析 幅度可调锯齿波发生电路包括两部分，一是由集成运算放大器组成的滞回比较器电路，二是由集成运算放大器组成的积分电路。它的主要元器件包括集成运算放大器、电容、电阻、可调电位器、二极管、稳压管等。 7 本科生课程设计(论文) 图 9 幅度可调锯齿波仿真 图 10 仿真结果 将滞回比较器的输出电压接在示波器通道A一端，积分电路的输出电压接在示波器的通道B一端，如图 9，便可对电路进行仿真，得出仿真结果，如图 10。 为满足锯齿波0,10v幅度可调以及调试的方便，我们取R1为10k的可调滑 动变阻器,R3=7.8k，R6=4.7k,稳压管的幅度为6.2v。由(3)式可知:锯齿波的最大幅度理论值为:Uom =( R1+R6)/R3*Uz=14.7/7.8*5=约10v 。 电路中采用的是虚拟器件，因此有可能影响仿真结果，由图10可知，仿真时锯齿波的最大幅度可达11.2v，比理论值稍大。仿真结果同预期结果大体相同。 8 本科生课程设计(论文) 2.5 实物焊接、调试与测试 按照图 9焊接实物，如图 11连接实物并进行调试与测试,得到波形图 12，与仿真结果大体相同，符合设计要求。 图 11 实物焊接及其调试与测试 图12 锯齿波与方波调试结果 9 本科生课程设计(论文) 第3章 课程设计总结 本次课程设计要求设计频率幅度可调的锯齿波发生器，根据所学的知识以及在图书馆、上网查阅资料，对题目的要求进行了电路的设计。然后进行细节的分析，理论的验证，进行对比，决定了一套最适合方案。为了做好本次课程设计，要充分理解设计要求，先建立一个整体的框图，包括直流稳压电源电路、迟滞比较器和积分电路的设计。直流稳压电源将220V电压通过变压、整流、滤波和稳压为锯齿波发生器提供所需的12V电压。迟滞比较器因为稳压二级管的存在，输出的波形为矩形波，再经由积分电路得到三角波，通过改变占空比，形成所需的锯齿波。 对自己设计的电路通过MULTISIM仿真得到结果符合设计要求，再按照原理图进行实物焊接，进行调试和测试，结果较为理想。 10 本科生课程设计(论文) 参考文献 [1] 康华光主编.电子技术基础(模拟部分).第五版.北京:高等教育出版社,2005. [2] 华成英主编.模拟电子技术基本教程. 北京:清华大学出版社，2009.8. [3] 李杰等编著.电子技术基础.北京:清华大学出版社，2008. [4] 郑家龙主编.集成电子技术基础教程. 北京:高等教育出版社,2002. [5] Altera 可编程逻辑器件及其应用.刘宝琴，译，北京:清华大学出版社，2004. [6] 陈汝全主编，电子技术常用器件应用手册，北京理工大学出版社，1991. 11 本科生课程设计(论文) 元器件清单 锯齿波发生器电路: 元器件名称 参数 数量 集成运放 741 2 10k 1 滑动变阻器 1k 1 7.8k 1 1k 1 电阻 10k 1 4.7k 1 稳压二极管 VDZ约6.2V 2 电容 0.33uF 1 直流稳压电路: 元器件名称 参数 数量 整流桥 2A 1 变压器 TS_PQ4_56 1 三端可调稳压器 LM7812CT 1 1mF 1 电容 330nF 2 100nF 1 12 书中横卧着整个过去的灵魂——卡莱尔 人的影响短暂而微弱，书的影响则广泛而深远——普希金 人离开了书，如同离开空气一样不能生活——科洛廖夫 书不仅是生活，而且是现在、过去和未来文化生活的源泉 ——库法耶夫 书籍把我们引入最美好的社会，使我们认识各个时代的伟大智者———史美尔斯 书籍便是这种改造灵魂的工具。人类所需要的，是富有启发性的养料。而阅读，则正是这种养料———雨果