波形发生器

新疆大学 课 程 设 计 报 告 所属院系：      电气工程学院          专    业：      热能与动力工程        课程名称：          电工学              设计题目：        波形发生器            班    级：        热动11-3班            学生姓名：          候侠君              学生学号：        20112104044            指导老师:           杨健庭              完成日期：          2014.1.12            课程设计题目：波形发生器 要求完成的内容： 能输出正弦波、方波和三角波，频率从10Hz到1kHz可调。确定 电路，并确定电路中所用器件的参数。                       指导教师评语：         评定成绩为： 指导教师签名： 2014 年 1 月 日   设计题目 1、 设计 方案一 先通过555芯片产生方波信号，方波信号经过积分运算电路整形为三角波，三角波通过低通滤波器整形为正弦波。 方案二 用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，正弦波频率可通过调节电阻R及电容C实现10HZ—1KHZ的变换。正弦波通过过零比较器，整形为方波。方波通过积分运算电路，整形为三角波。 在询问老师后，我们得知方案二同方案一比较，有较为明显的优势，首先，由于是采用滤波方式产生正弦波，高低频特性较差，可实现的波形频率范围较窄，波形失真较为严重。方案二采用RC桥式正弦振荡电路产生正弦波，频率范围较宽，用过零比较器整形为方波，更容易实现幅度的调节。由于方案二的优势，在听取老师的建议后，我们采用采用方案二。 基本思路：用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，正弦波频率可通过调节电阻R及电容C实现10HZ—1KHZ的变换。正弦波通过过零比较器，整形为方波。方波通过积分运算电路，整形为三角波。 元件选择 运算放大器74LS318 1 过零比较器CA5260 1 电阻及电容 若干     二、正弦波发生器的设计 1.正弦波发生器原理 图1.RC桥式正弦波振荡电路原理图 相同的RC原件组成了RC串并联选频网络，而实质它又是振荡器的正反馈网络。电阻及二极管等原件接在运算放大器的输出端和反向输入端之间，构成负反馈和稳幅环节。正反馈与负反馈电路构成了文氏电桥振荡电路。 负反馈支路中通过调节电位器 ，可以改变负反馈深度，以满足振荡的振幅条件和改善波形，同时还有很好的稳幅特性。利用两个反向并联二极管D1、D2的正向电阻的非线性特征来实现稳幅。D1、D2采用硅管，温度稳定性好，且要求特性匹配，才能保证输出波形正、负半周对称。R3的接入削弱了二极管非线性的影响，得以改善波形失真。所以，使用RC桥式振荡电路输出电压稳定，波形失真小，频率调节方便。 正弦波振荡器起振条件：|AF|>1（略大于）结果产生增幅振荡。 振荡条件    =1    幅度平衡条件      =1 相位平衡条件  AF = A+F = 2n 正弦波振荡电路的组成判断及分类： （1） 放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。 （2） 选频网络：确定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。 （3） 正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。 （4） 稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。  常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。串并联网络在此作为选频和反馈网络。它的电路图如图1所示： 它的起振条件为： 。它的振荡频率为： 它主要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC正弦波振荡电路。它的振荡频率为： 。 2.元件参数的计算 （1）确定R、C值 由于 =1000Hz，得到RC= =1.59×10-4，为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻 和输出电阻 的影响，应使R满足下列关系式： >>R>> ，一般 约为几百千欧以上， 仅为几百欧以上。故确定R=10KΩ，则C=0.01uF。 （2）确定R1、Rf RC选频网络对于中心频率f0的放大倍数为 = ，而回路起振条件为 ≥1。故放大电路的电压放大倍数 =1+ ≥3，即 ≥2，取 =2。而Rf= + + //r d其中，r d 为二极管的正向导通电阻。当振荡器的幅值增大时，调整反馈电阻Rf（调节 ）使其阻值减小，负反馈作用增强，放大器的放大倍数 减小，从而限制了振幅的增长。直至 =1，振荡器的输出幅值趋于稳定。如不能起振，则说明负反馈太强，应适当增大 。 为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路应该满足直流平衡条件，即： R=R1//Rf=10KΩ （3）确定稳幅电路 实验证明，取R3≈r d时，既能够减少二极管特性的非线性而引起的波形失真，又能起一定的稳幅作用，取R3=5.1KΩ 综上所述： 由 Rf/R1=2 R=R1//Rf=10KΩ Rf= + + //r d r d≈5.1KΩ 得： R1=R4=R5=10kΩ =15kΩ  =5.1kΩ  =5kΩ =0.01μF 3.正弦波发生器电路 根据文氏桥振荡电路原理及参数计算，得出正弦波发生器电路图（图2）。 图2  正弦波发生器电路图 4.计算机仿真分析 正弦波发生电路仿真结果： 从仿真结果来看，正弦波波形较稳定，稳定性较好，满足课程设计的要求。 三、方波、三角波波形发生器 1.设计思路 由滞回比较器和积分电路首尾相接形成正反馈，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波又反馈触发比较器自动翻转形成方波，从而形成三角波、方波发生器。 2.过零滞回比较器 过零比较器在实际工作时，如果 恰好在过零值附近，则由于零点漂移的存在， 将不断由一个极限值转换到另一个极限值，这在控制系统中，对执行机构将是很不利的。为此就需要输出特性具有滞回现象。如图3所示： (a)                                          (b) 图3 滞回比较器 从输出端引入一个电阻分压支路到同相输入端，若 改变状态，U 点也随着改变点位，使过零点离开原来位置。当 为正（记作 ） R2/（ R2+ Rf ）]*   ，则当 > 后, 再度回升到 ，于是出现图（b）中所示的滞回特性。 3.三角波、方波发生器设计图 如图4所示，此电路图为由滞回比较器和积分电路首尾相接形成正反馈闭环系统，则比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波又反馈触发比较器自动翻转形成方波，从而形成三角波、方波发生器。由于采用运放组成的积分电路，因此可实现恒流充电，使三角波线性大大改善。 通过理论分析，电路的正当频率为 。方波的输出幅值为 ，三角波的输出幅值为 。因此调节 可以改变振荡频率，可以改变比值 可调节三角波的幅值。 图4.三角波、方波发生器设计图 4.计算机仿真结果分析 三角波仿真波形： 方波仿真波形： 从仿真结果来看，方波与三角波波形较稳定，稳定性较好，满足课程设计的要求。 四、总设计图 原理：        电压比较器      积分器 文氏桥振荡电路          方波          三角波 5、实习总结 经过了一段时间的努力，终于完成了这次课程设计。 说实话刚开始我对波形发生器这个题目设计并不是很懂，有些茫然有些不知所措，问了我们组其他人也是同样感觉，有种无从下手的感觉。，课题要求使用multisim8仿真波形发生器，并且可以产生精度较高的正弦波、方波、矩形波等多种信号。 对于这些我开始觉得比较困难，于是我开始在网上搜索波形发生器的资料，但效果不是很理想，资料很多但并不完全，找到的只是方波 ，三角波之类的原理及其转换方面的知识，而这些都需要我们自己来整理并应用于设计中，然而有些问题即使搜索了很多的资料也无法解决。 于是我们组的成员就经常在一起讨论，并到图书馆查阅了一些资料。解决了一些问题，最后通过老师的帮助我们的报告才终于完成，虽然我觉得设计报告中依然有很多的问题，许多的缺陷，但这些只能靠以后知识的增长甚至是实践中来完善。 在这次设计中我意识到了遇到困难不要知难而退，“失败乃成功之母”从一开始时的迷茫无助到最后完成课程设计。我明白了成功是建立在以前失败经验的基础上的。比如本来我们组先选择的方案是通过555芯片产生方波信号，方波信号经过积分运算电路整形为三角波，三角波通过低通滤波器整形为正弦波。在询问老师后，我们得知此方案采用滤波方式产生的正弦波，高低频特性较差，可实现的波形频率范围较窄，波形失真较为严重。因此在老师的帮助下我们采用了RC桥式正弦振荡电路产生正弦波，频率范围较宽，用过零比较器整形为方波，更容易实现幅度的调节。从而我们才完成了此次课程设计。因此，我明白做什么事都不能半途而废。用永不放弃的精神在自己选择的道路上坚持走下去，成功就离我不远啦！ 总结此次设计， 我们收获颇多。我们学会了波形发生器的电路和数据理论计算及multisim8软件的运用，并且在查找相关资料，进行分析的过程中提高了自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会到了学以致用。但也从设计中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，让我认识到以前所学知识的不深入，基础不够扎实，以致于这次在设计电路图的时候，需要重复翻阅课本的知识。最后尤其要感谢杨老师和李老师在课程设计的过程中对我们的帮助。