完成--幅度频率可调的锯齿波发生器

完成--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设计(论文) 题目:幅度频率可调的锯齿波发生器 院(系): 电子与信息工程学院 专业班级: 学 号: 学生姓名: 指导教师: (签字) 起止时间: 2014.6.30-2014.7.11 本科生课程设计(论文) 课程设计(论文)任务及评语 院(系):电子与信息工程学院 教研室: 电子信息工程 电气(光伏)学 号 121806050 学生姓名 丁彦升 专业班级 122班 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函数发生器。 (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 设计要求: 程 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、文 )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 评平时: 论文质量: 答辩: 语总成绩: 指导教师签字: 及 年 月 日 成 绩 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，以及一些科学试验中，锯齿波视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者各类型号的信号发生器。此外，如在示波器，电视机等仪器中，为了视电子按照一定运动规律，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波发生器作为实际电路。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做线性变化的电压———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，科学研究方面不可缺少的工具。 关键字:锯齿波发生器;直流稳压电源;迟滞比较 IV 本科生课程设计(论文) 目 录 第1章 绪论 .......................................................... 1 1.1锯齿发生器概况................................................ 1 1.2 本文研究内容 ................................................. 2 第2章幅度频率可调的锯齿波发生器电路设计 ............................. 3 2.1 锯齿波发生器总体设计方案 ..................................... 3 2.2 具体电路设计 ................................................. 4 2.2.1直流稳压电源电路设计..................................... 4 2.2.2迟滞比较器设计........................................... 6 2.2.3 RC充放电积分电路电路设计 ............................... 7 2.3 元器件型号选择 ............................................... 8 2.4MULTISIM仿真、数据分析 ......................................... 9 第3章 课程设计总结 ................................................. 13 参考文献 ............................................................ 15 元器件清单 .......................................................... 16 V 本科生课程设计(论文) 第1章 绪论 1.1 锯齿发生器概况 在我们日常生活中，以及一些科学试验中，锯齿波视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者各类型号的信号发生器。此外，如在示波器，电视机等仪器中，为了视电子按照一定运动规律，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波发生器作为实际电路。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做线性变化的电压———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，科学研究方面不可缺少的工具。 自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数信号发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度提高。近年来随着GSM、GPRS、3G、BlueTooth乃至4G等移动通信以及LMDS、无线本地环路等无线接入的发展，同时加上合成孔径雷达等现代军事、国防、航空航天等在技术上的不断创新与进步，世界各国非常重视这方面的发展。 作为一种基本的电子设备无论是在教学、科研还是在部队技术保障中，都有着广泛的应用，对锯齿波发生器进行深入研究，不论时从教学科研角度，还是从部队技术保障服务角度出发都有着积极的意义，波形发生器是电子系统的心脏，随着科学技术的发展，对它的研究越来越来深刻，在各个方面都有它的用武之地。 1 本科生课程设计(论文) 1.2 本文研究内容 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。 根据本课题要求: 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。 2 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 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。这种的两侧的性能好，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。因此不易选择此类设计方案。 方案(二) 设计一个锯齿波发生器和一个稳压电源。锯齿波发生器电路需要同相输入迟滞比较器和充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。 直流稳压电源 迟滞比较器 RC充放电积分电路 锯齿波发生器 图2.1 总体方案框图 3 本科生课程设计(论文) 2.2 具体电路设计 2.2.1 直流稳压电源电路设计 直流稳压电源 电源变压器 整流电路 稳压电路 滤波电路 图2.3 直流稳压电路框图 在电子电路中，通常都需要电压稳定的直流电源供电。小功率的稳压电源的组成由电源变压器，整流电路，滤波电容，稳压电路四部分组成。 电源变压器 由于所需的直流电压比电网的交流电压相差较大，因此常利用电源变压器降压得到合适的交流电压进行转换。本电路中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 利用二极管具有单向导电性，将正负交替的正弦交流电压整流成单方向的脉动电压。本电路中采用四个二极管(IN4007)将电压器次级交流电压变成单向直流电压，它包含直流成分和许多谐波成分。 滤波电路 滤波电路的作用是利用储能元件滤去直流电压中的交流成分，使输出电压趋于平滑，采用电容滤波成本低，输出电压平均值较高，但带载能力差，适用于负载电流较小且在变化不大的场合。采用电感滤波成本比较高，带载能力强，适用于负载电流较大的场合。在要求较高的场合，可再用复合滤波电路。本电路中采用两个电容量不同的电容器组成。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。 4 本科生课程设计(论文) 稳压电路 稳压电路的作用使输入电压或负载在一定范围内变化时，保证输出电压稳定。对要求不高的小功率电路，可采用并联型硅稳压管稳定电路。要求较高时采用串联想稳压电路，采用电压负反馈来使输出电压稳定。本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。 图2.4 直流稳压电源 本电路中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。电路中采用四个二极管(IN4007)将电压器次级交流电压变成单向直流电压，它包含直流成分和许多谐波成分。电容器采用两个电容量不同的组成。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。同时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。 5 本科生课程设计(论文) 2.2.2 迟滞比较器设计 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，单门限电压比较器，当输入电压含有噪声或干扰电压时，其输入和输出电压波形将出现干扰，输出电压不稳，导致比较输出不稳定。如果用这个电压去控制电机，将出现频繁的起停现象，这种情况是不允许的。所以我们采用提高抗干扰能力的另一种方案，采用迟滞比较器。 迟滞比较器是一种具有迟滞回环传输特性的比较器。为了获得比较稳定的传输特性，在反相输入单门限电压比较器的基础上输入了正反馈网络，就组成了具有双门限值的反相输入迟滞器。再将V1与VEF位置互换，就组成同相迟滞比较器。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。 VEE -15VVEE 4U1R101 227.5kΩ6 3 715741R2 3 VCC7.5kΩ VCC 15V 图 2.5 迟滞比较器 6 本科生课程设计(论文) 2.2.3 RC充放电积分电路设计 积分电路是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，积分电路也是控制盒测量系统中的基本单元，利用其充放电过程可以延时，定时以及各种波形的产生。 电路如图，根据理想 运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知:电路的输出电压与电容两端的电压成正比，而电路的输入电压与流过电容的电流成正比。由于集成运放的反相输入端“虚地”，故输出电压等于输入电压，可见 VEE输出电压与电容两端电压成正比。 -15V C1 VEE 4150nF U22R316 6 71kΩ3 715 7410 VCC VCC 图2.6 RC充放电积分电路 15V VoRCVidt,, 因为输入电压与流过电容的电流正比。可得 ,由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输出电压可转变为三角波。上式表明，输出电压Vo为输入电压Vs对时间的积分，负号表示信号是从运放的反向输入端输入的。 运放输出电压的最大值受直流电源电压的限制，当运放进入饱和状态，输出保持不变，停止积分。 7 本科生课程设计(论文) 2.3 元器件型号选择 R1为7.5K电阻; R2为7.5K电阻; R3为5K电阻; R4为10K电阻; R5为0-15K滑动变阻器;调节波形幅度。 R6为0-50K滑动变阻器;调节频率。 C1、C2 、C3、C4为2000μF电容;起滤波作用。 C5为0.15μF电容;负反馈作用。 、D4、D5、D6、D7、D8为IN4007二极管; D3、D4易于起振，D5、D6、D7、D3 D8起整流作用。 D1、D2为IN785A稳压二极管;稳定基准电压。 U1为LM7815CT集成稳压器; 稳压作用。 U2为LM7915CT集成稳压器; 稳压作用。 U3、U4为LM741集成运放;双电源供电，单路，可补偿。 变压器为TS_PQ4_28;降低电源电压达到所需电压。 电源为220V 50Hz;提供电源。 8 本科生课程设计(论文) 2.4 Multisim仿真、数据分析 图2.7 锯齿波发生器总 方波幅值为?10V，频率为27Hz，波形如图2.7所示: 9 本科生课程设计(论文) 图2.7 方波波形 锯齿波频率为27Hz，幅度为5V，波形如图2.8所示: 图2.8 锯齿波图形 10 本科生课程设计(论文) 两波合成图如图2.9所示: 图2.9 两波合成图形 工作原理:设t=0时接通电源，有Vo1=-Vz，则-Vz经R6向C充电，使输出电压按线性规律性增长。当Vo上升到门限电压Vt+使Vp1=Vn1=0时，比较器输出Vo1由-Vz上跳到+Vz，同时门线电压下跳到Vt-值。以后Vo1=+Vz经R6和D、R5两支电路向C反充电，由于时间常数减小，Vo迅速下降到负值。当Vo下降到门限电压Vt-使Vp1=Vn1=0时，比较器输出Vo1由+Vz下跳到-Vz。如此周而复始，产生振荡。由于C的正向与反向充电时间常数不同，输出波形Vo为锯齿波电压，Vo1为矩形波电压。如图2.7所示。可以证明，设忽略二极管的正向电阻，其振荡周期为 2||22RRRCRRCRR，，，，，2RRC165166516TTT,，,，,12RRRRR，，，22256 显然，当R5，D支路开路，电容C的正、反向充电时间常数相等，此时锯齿 波就变成三角波，其振荡周期为 4RRC16T, R2 如图2.6所示的积分电路正向积分的时间常数远大于反向积分的时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分的时间常数，那么输出电压 Vo上升和下降 11 本科生课程设计(论文) 的斜率相差很多，就可以得到锯齿波。利用二极管的单向导电性使积分电路两个方向的积分通路不同，就可以构成锯齿波产生电路如图2.8所示。 锯齿波的幅度额振荡周期的计算与三角波相似。设二极管导通时的等效电阻可忽略不计，电位器的滑动端移到最上端，则 RR21vvv,，po01 RRRR，，1212 vv,,0pN当 时，对应的Vo RR11 vVvV,,,,,oomoZ1RR22 TTT,，TVT121O2振荡周期为。其中为电容充电时间，也就是的下降时间; 为电容 VO放电时间，也就是的上升时间。 T1R11VdtVV,,22ZomZ,0RCR32 R1TRC,213R2得 T1R21VdtVV,,22ZomZ, 0RRCR，，，32W R 12**TRRC,，，，W23R得 2 22RRRC，，，13WT,所以振荡周期 R2RRRRR2211w调整和的阻值可以改变锯齿波的幅值，调整、和的阻值以及C的容量，可以改变振荡周期;调整电位器滑动端的位置，可以改变锯齿波上升和下降的斜率。 12 本科生课程设计(论文) 第3章 课程设计总结 通过这次课程设计，加强了我的动手、思考和解决问题的能力，拓宽了知识面，锻炼了能力，综合素质得了到较大提高，同时也是对课本知识的巩固和加强，平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题也就迎刃而解了，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。也让我明白了“认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一。”这句话的真正含义。运用学习成果，把课堂上学到的系统化的理论知识，尝试性地应用于实际设计工作，同时也能检验学习成果，看一看课堂学习与实际工作到底有多大距离，并通过综合分析，找出学习中存在的不足，以便为完善学习，改变学习内容与方法提供实践依据。 万事开头难，记得我刚开始时就像一只无头的苍蝇，去图书馆借来了大量的书籍，在网上搜索资料，但是一天过去了还是一点头绪都没有，不知从何开始，后来我参照书本或者网上的例子进行，甚至就是按照它的步骤再做一遍。当然在初学阶段这未必不可以，这样做可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。充分了解之后，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的思路独立进行，虽然这样可能会在设计中碰到很多的困难问题，但是这样能让我学到更多，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，说不上创新，但可能会有新意产生，不管怎样这也将是自己创造出来的东西了。在这方面我做的也不是很好，所以设计之后再回想一下，里面自己的东西很少，这也是以后需要改进的地方。这一点我想在任何一门课程的学习，在今后任何工作都是很重要的。如果没有探索性，我们只会走着前人走过的路，踩着前人踏过的脚印。 进行设计的时候，我基本上都是参照书本或者网上的例子进行，甚至就是按照它的步骤再做一遍。当然在初学阶段这未必不可以，这样做可以让我熟悉软件的操作环境，了解设计方法和步骤，更加深刻理解基本概念。但是等到自己设计的时候，我觉得就应该抛开例子，完全按照自己的思路独立进行，这样可能会在设计中碰到更多的问题，但是这样也能让我学到更多，而且在解决遇到的问题时会更加引发自己的思考，说不上创新，但可能会有新意产生，也就是自己的东西了。在这方面我做的也不是很好，所以设计之后再回想一下，里面自己的东西很少，这也是以后需要改进的地方。 在这这个设计过程中，探索性主要可以体现在下面几个方面。一个是绘图所用的软件Multisim，因为这个软件我在之前没有接触过，所以得通过自己去学习学习这个软件也是通过网上的资料及图书馆的信息，在学习中遇到了很多的困难， 13 本科生课程设计(论文) 但是通过自己坚持不懈的努力，最终都一一克服了，使用过程中我也深有体会， Multisim，功能很强大，基本上能满足我在设计中的任何要求。还有设计时所采用的，每个设计书上基本都有较为成熟的公式让我们参考。但它们不一定就是最好的，我们也可以到图书馆到网上去查阅更多的资料，比如在进行电路参数计算时我就发现书本的公式好象可能有印刷错误，在不能确定的前提下我去图书馆查阅资料，发现好几本参考书上计算参数时都是采用另一个公式，于是我暂时先采用这个公式，计算出数据后进行仿真，发现近似性很好，能满足设计指标。没有探索就没有创新，没有创新很可能就会被淘汰，在今后的学习和设计中，我也会更加注重这方面的锻炼和培养，希望会有所进步。在每次的课程设计中，遇到问题，最好的办法就是问别人，因为每个人掌握情况不一样，不可能做到处处都懂，发挥群众的力量，复杂的事情就会变得很简单。这一点我深有体会，在很多时候，我遇到的困难或许别人之前就已遇到，向他们请教远比自己在那冥思苦想来得快。 我的设计缺少系统性，在整个设计过程中探索性也不够。不过这毕竟是初次设计，我兴趣比较浓，积极性也挺高的，所以也做的比较早，而且设计的最后仿真结果都还不错，所以我给自己定位在良好偏上，以后还需要多学习多交流多研究，我相信我会有更大的进步。 14 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，北京理工大学出版社，1991 [7] 邵世凡主编，模拟电子技术，浙江大学出版社，2007 15 本科生课程设计(论文) 元器件清单 元器件名称 参数 元器件名称 参数 滑动变阻器 0——15K(1个) 电阻 7.5K(2个) 滑动变阻器 0——50K(1个) 电阻 5K(1个) 二极管 IN4007(6个) 电阻 10K(1个) 稳压二极管 IN788A(2个) 电容 2000μF(4个) 集成稳压器 LM7815(1个) 电容 0.15μF(1个) 集成稳压器 LM7915(1个) 集成运放 LM741(2个) 16