幅度频率可调的锯齿波发生器

幅度频率可调的锯齿波发生器 辽 宁 工 业 大 学 模拟电子技术基础 课程() 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: (签字) 起止时间:2013.7.1—2013.7.12 本科生课程设计(论文) 课程设计(论文)任务及评语 院(系):电子与信息学院 教研室:电子信息与工程 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 题目 设计任务: 1. 现设计并制作能产生锯齿波波形信号输出的函数发生器。 2. 设计电路所需的直流稳压电源。 功能要求: 1. 输出的波形工作频率范围0.02Hz,1kHz连续可调 2. 方波幅值?10V。 3. 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 计1 .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、) 任结构的繁简、成本的高低及制作的难易等方面作综合比较，并考虑器件务 的来源，敲定可行方案。 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。 指 导 教 师 评 平时: 论文质量: 答辩: 语 及 成总成绩: 指导教师签字: 绩 年 月 日 注:成绩:平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算 II 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。 本设计通过同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分电路两部分，共同组成锯齿波电压产生器电路。直流稳压电源通过降压、整流、滤波、稳压四部分组成。 关键词:迟滞比较器;积分电路; 直流稳压电源;锯齿波 III 本科生课程设计(论文) 目 录 第1章 幅度频率可调锯齿波发生器设计方案论证 .......................... 1 1.1 幅度频率可调锯齿波发生器的应用意义 ........................... 1 1.2 幅度频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标 ................. 1 1.3 设计方案论证 ................................................. 2 1.4 总体设计方案框图 ............................................. 2 第2章 幅度频率可调锯齿波发生器各单元电路设计 ........................ 4 2.1 迟滞比较器电路设计 ........................................... 4 2.2 积分器电路设计 ............................................... 5 2.3 直流稳压电源电路设计 ......................................... 6 第3章 幅度频率可调锯齿波发生器整体电路设计 .......................... 8 3.1 整体电路图及工作原理 ......................................... 8 3.2 电路参数计算 ................................................ 10 3.3 电路的仿真结果 .............................................. 11 第4章 课程设计总结 ................................................. 13 参考文献 ............................................................ 14 附录I 总体电路图 ................................................... 15 附录II 元器件清单 .................................................. 16 IV 本科生课程设计(论文) 第1章 幅度频率可调锯齿波发生器设计方案论证 1.1 幅度频率可调锯齿波发生器的应用意义 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。 1.2 幅度频率可调锯齿波发生器设计的要求及技术指标 设计要求: 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、指标及应用环境等，广开思路，构思出各种总体方案，绘制结构框图。 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。 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。 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) 1.3 设计方案论证 方案一:幅度频率可调锯齿波发生器电路可由集成运放构成，通过同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分电路两部分，共同组成锯齿波电压产生器电路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。 方案二:采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器(VCO)的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。 方案三:使用集成信号发生器发生芯片，例如AD9854,它可以生成最高几十MHZ的波形。但是该方案也不能产生任意波形(例如梯形波)，并且价格昂贵。 经比较，方案一既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比高，所以选择方案一。 1.4 总体设计方案框图 总体设计方案框图,如图1.1所示: 直流稳压电源 迟滞比较器 积分电路 锯齿波发生器 图1.1 总体方案框图 电路主要由迟滞比较器和时间常数不等的积分电路组成。直流稳压电源则为电路中运放所需的工作电压提供电源。 2 本科生课程设计(论文) 第2章 幅度频率可调锯齿波发生器各单元电路设计 2.1 迟滞比较器电路设计 图2.1 迟滞比较器输出波形图 单门限电压比较器虽然有电路简单、灵敏度高等特点，但其抗干扰能力差。例如，在单门限电压比较器的图2.1中，当v中含有噪声或干扰电压时，其输入I 和输出电压波形如图2.1所示，由于在v=V=V附近出现干扰，v将时而为V，IthREFOOH时而为V，导致比较器输出不稳定。如果用这个输出电压v去控制电机，将出OLO 现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。提高抗干扰能力的一种方案是采用迟滞比较器。 图2.2 反相输入迟滞比较器原理 迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器。图2.2所示为反相输入迟滞 4 本科生课程设计(论文) 比较器原理电路，它是在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络，其传输特性如图2.2所示。如将v与V位置互换，就可组成同相输入迟滞比较IREF 器。由于正反馈作用，这种比较器的门限电压是随输出电压VO的变化而改变的。它的灵敏度低一些，但抗干扰能力却大大提高了。 图2.3 反相输入迟滞比较器 2.2 积分器电路设计 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。 积分电路电路组成如图2.4，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U与电容两端的电压U成正比，而电路的输入电oc 压U与流过电容的电流i成正比，即U与U之间成为积分运算关系。 icoi 由于集成运放的反相输入端“虚地”，故可见输出电压与电容两端U,,Uoc 电压成正比。又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则i,i，故c 即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得: U,iR,iRi1c 11 U,,U,,idt,,Udtocci,,CRC 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。 5 本科生课程设计(论文) 图2.4 积分电路 2.3 直流稳压电源电路设计 直流稳压电源结构,如图2.5示: 降压部分 整流部分 滤波部分 稳压部分 图2.5直流稳压电源结构框 图 用电子仪器或设备(如示波器、电视机等)所需要的直流电源，均属于单相小功率直流电源(功率在1000W以下)。它的任务是将220V、50Hz的交流电压转换为幅值稳定的直流电压(例如几伏或几十伏)，同时能提供一定的直流电流(比如几安甚至几十安)。 直流稳压电源主要由四部分组成:电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路。 降压部分 考虑到集成稳压器的额定压差以及输出电压为15V 所以将电网交流电压变为整流电路所需的交流电压18V左右。 整流电路 采用四个二极管(1N4007) 将变压器次级交流电压变成单向的直流电压，它包含直流成份和许多谐波分量。 滤波电路 滤波电路用于去除整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成。本设计采用并联两个电容量不等的电容器组成。小电容过滤掉低频纹波，大电容过滤掉高频纹波。从而输出比较平滑的直流电压。 6 本科生课程设计(论文) 稳压电路 稳压电路采用简单的三端集成稳压器LM7815和LM7915，分别输出+15V和-15V电压。如图2.6所示。 图2.6流稳压电源电路 7 本科生课程设计(论文) 第3章 幅度频率可调锯齿波发生器整体电路设计 3.1 整体电路图及工作原理 电路组成: 图3.1 锯齿波发生电路 图3.1所示为一个锯齿波发生电路。图中集成运放U1组成迟滞比较器;二极管D3、D4和电位器R，使积分电路的充放电回路分开，故U2组成充放电时间w 常数不等的积分电路。调节电位器R滑动端的位置，使R不等于R，则电容ww1w2放电的时间常数与充电的时间常数不等，即可得锯齿波。迟滞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迟滞比较器的同相输入端，控制迟滞比较器输出端的状态发生跳变，从而在U2的输出端得到周期性的锯齿波。 8 本科生课程设计(论文) 整体电路,如图3.2所示: 图3.2 整体电路 工作原理 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U1同相输入端的电压U同时与U和U有关，根据叠加原理，可得: +o1o RR (1) 12U,U，U，o1oR，RR，R 1212 则此时U也为高电平。但当时，积分电路的输出电压U将随着时U,，U+oo1z 间往负方向线性增长，U随之减小，当减小至时，滞回比较器的输出U,U,0+，, 端将发生跳变，使，同时U+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输U,,Uo1z 出电压将随着时间往正方向线性增长，U也随之增大，当增大至时，U,U,0+，,滞回比较器的输出端再次发生跳变，使,同时U也跳变为一个正值。然U,，U+o1z 后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压为矩形波，而由于积分电Uo1 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3.3所示: 9 本科生课程设计(论文) 图3.3 锯齿波发生电路的波形图 由上图可知，当发生跳变时，锯齿波输出U达到最大值U，而发UUoomo1o1 生跳变的条件是: ，将条件，代入(1)式，可得: U,,UU,U,0U,0o1z，,， RR (2) 120,(-U)，UzomR，RR，R1212 由此可解得锯齿波输出的幅度为: R1 (3) U,UomzR2 要使得幅度可调，由(3)式可知，改变参数即可，所以实际电路中采RR11 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。 3.2 电路参数计算 门限电压的估算 ()()VP1=V1-R1VI-VO1/R1+R2 考虑到电路翻转时，有?，即得()VN1VP1=0V1=VTH=-VO1R1/R2 由于?，由上式，可分别求出上、下门限电压和门限宽度为VO1=VZ VT+=VZR1/R2 VT-=-VZR1/R2和?VT=VT+-VT-=2VZR1/R2 10 本科生课程设计(论文) 3.3 电路的仿真结果 方波幅值?10V，频率为300HZ。波形如图3.4所示: 图3.4方波波形仿真结果 此时锯齿波频率为300HZ，幅值为10V，波形如图3.5所示: 图3.5 锯齿波波形仿真结果 11 本科生课程设计(论文) 调节频率幅度之后的锯齿波波形，幅值为4V，频率733HZ。如图3.6所示: 图3.6 调节后的锯齿波波形 方波与锯齿波的波形图，如图3.7所示: 图3.7 两波合成图 12 本科生课程设计(论文) 第4章 课程设计总结 本设计通过方案比较选出方案一。内容为幅度频率可调锯齿波发生器电路可由集成运放构成，通过同相输入迟滞比较器和充放电时间常数不等的积分电路两部分，共同组成锯齿波电压产生器。本设计的特点是采用多个运放逐级的连接，实现波形的转换以及幅度调节，电路中主要采用多个电位器可调来完成参数的调节，这样可以输出不同的波形。 采用以迟滞比较器和积分电路为核心，通过调节积分电路中的输入电阻来改变锯齿波的幅度，通过调节反馈电阻来改变迟滞发生器产生方波的周期进而影响锯齿波的周期，并由由示波器显示出仿真波形。电源的设计则是采用了降压、整流、滤波、稳压四部分，稳压部分运用三端集成稳压器能够输出稳定的?15V电压，简单准确。 通过Multisim仿真软件对电路进行仿真，结果满足设计要求，完成了设计。 13 本科生课程设计(论文) 参考文献 [1] 童诗白.《模拟电子技术基础(第二版)》.高等教育出版社. 1988 [2] 康华光.《电子技术基础模拟部分(第五版)》.高等教育出版社. 2006 [3] 陈大钦.《电子技术基础实验.高等教育出版社》. 2000 [4] 杨素行.《模拟电子技术基础简明教程(第二版)》.高等教育出版社. 1997 [5] 谭博学.《集成电路原理及应用》.电子工业出版社. 2002 [6] 卜益民.《模拟电子技术》.北京邮电大学出版社. 2000 [7] 孙余剀《模拟集成电路基础与应用》. 电子工业出版社. 1999 14 本科生课程设计(论文) 附录I 总体电路图 15 本科生课程设计(论文) 附录II 元器件清单 序号 编号 名称 参数 数量 1 R1 滑动变阻器 0—15K 1 2 R2 电阻 7.5 K 1 3 R3 电阻 1K 1 4 R4 电阻 7.5K 1 5 R5 滑动变阻器 0—10K 1 6 R6 电阻 10K 1 7 C1 C2 电容 2200μF 2 8 C3 C4 电容 1μF 2 9 C5 电容 0.15μF 1 10 D1 D2 D3 二极管 1N4007 6 D4 D5 D6 11 D7 D8 稳压二极管 1N758A 2 12 U1 集成稳压器 LM7815 1 13 U2 集成稳压器 LM7915 1 14 U3 U4 集成运放 LM741 2 16