正弦波-方波-三角波函数转换器的设计

模拟电路课程设计报告

设计课题： 设计制作一个产生正弦波-方波-三

专业班级：学生姓名：学 号：指导教师：设计时间：

角波函数转换器

正弦波-方波-三角波函数转换器的设计

一、设计任务与要求

① 输出波形频率范围为0.2KHz~20kHz且连续可调； ②正弦波幅值为±2V，； ③ 方波幅值为2V；

④ 三角波峰-峰值为2V，占空比可调； ⑤分别用三个发光二极管显示三种波形输出；

⑥用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。

二、方案设计与论证

波形产生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件后的所要求的波形信号输出。波形产生电路的关键部分是振荡器，而设计振荡器电路的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。具体设计可参考以下方案。

方案一、文氏桥式振荡器（RC串-并联正弦波振荡器）产生正弦波输出，其主要特点是采用RC串-并联网络作为选频和反馈网络，其振荡频率f0=1/（2∏RC），改变RC的数值，可得到不同频率的正弦波信号输出。用集成运放构成电压比较器，将正弦波信号变换成方波信号输出。用运放构成积分电路，将方波信号变换成三角波信号输出。该电路的优点是：发生信号的非线性失真小，缺点是：调试过程烦琐，所需元器件多，制作难度大，成本较高。 方框图：

方案二、用uA741构成信号发生电路，把正弦波信号转换成方波信号再转变成三角波信号，该电路调试过程较简单，容易实现波形的转换，制作简单。

三、单元电路设计与参数计算

(1)直流电源:

直流电源由电源变压器，整流电路，滤波电路，稳压电路四部分构成。 1、稳压电源的组成框图

2、电路图

图1 3．整流，滤波电路

用四个整流二极管组成单相桥式整流电路，将交流电压Ｕ2变成脉动的直流电压,为了减小电压的脉动，再经滤波电容C1滤除纹波,输出直流电压Ui ，

UI=1.2U2

为了获得较好的滤波效果，在实际电路中，应选择滤波电容的容量满足RLC=(3～5)T/2的条件。两个二极管分别与LM7812和LM7912反向并联，取到保

护电路的作用，同时在后面有两个发光二极管监视电路。 4．稳压电路

稳压电路中用三端固定稳压器组成固定电压输出电路，用Ｃ为抗干扰电容，用以旁路在输入导线过长时窜入的高频干扰脉冲，Ｃi是用来改善输出瞬变特性和防止电路产生自激振荡．所接的二极管对稳压器起保护作用，防止输入端短路时Ｃ2上电荷对稳压器内部放电使内部输出管击穿而损坏。

三端固定式集成稳压器构成稳压电路时要求输入电压Ｕi不能过低，

Ｕi—U0>3V

根据输出电压、电流选用三端集成稳压器及输入电压。 （2）信号发生部分

1.正弦波部分

用文氏桥电路,电路由放大电路、选频网络、正反馈网络和稳幅环节四个部

分组成。

图2

放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对

选频特性的影响，使振荡频率几乎仅决定于选频网络，因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。

正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压，因而要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路，它的比例系数是电压放大倍数，根据起振条件和幅值平衡条件有：

Au

uoup

1

RfR1

3 Rf2R1 R

RfR1RfR1

且振荡产生正弦波频率f0

12Rc

。

正弦波电路参数设计：由于RC桥式振荡的振荡频率是由RC网络决定的，因此选择RC的值时，应把已知的振荡频率作为主要依据。同时，为了使选频网络的特性不受集成放大器输入和输出电阻的影响，选择R时还应考虑R应该远远大于集成远放的输出电阻，并且要远远小于集成远放的输入电阻。根据已知条件，由fo =1/（2πRC）可以计算电容的值，实际应用时要选择稳定性好的电阻和电容。R1和Rf的值可以由起振条件来确定，通常取Rf=2.1R1，这样可以保证起振又不会使输出波形严重失真。

因为0.2KHz

RfR1RfR1

12Rc

3.1Rf2.1

可得R1=。设计R1要考虑失调电流及其漂移影响，

应该取R=R1//Rf。综合上述两个条件可以算出R1的值为11.7～11.7K，则Rf应为24.49～24.49K。实际应用时应当调节这两个电阻的值使其满足要求。 ２．正弦波－方波转换部分

图3

正弦波到方波的转换采用的是滞回比较器，从集成运放输出端的限幅电路可以知道：U0=±R13/(R11+R13)Uz

由幅值要求是2V，所以选

Uz=±6.2的稳压管，如果选R13为1 KΏ，则(R13+R11)的值约为3 KΏ。 3. 方波－三角波转换部分

图4

此电路由反相输入的过零比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。设某一时刻输出电压Uo=+Uz,则同相输入端电位Up=+UT。Uo通过R3对电容C正向充电，如图中实线箭头所示。反相输入端电位n随时间t的增长而逐渐增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un≥0,Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过R3对电容C反向充电，如图中虚线箭头所示。Un随时间逐渐增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz；但是，一旦Un≤0,Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开始正相充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

±UT=±R2∕(R6+RW)U02m T=2R6(R6+RW)C3∕R7

运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R6称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。 由以上公式可得比较器的电压传输特性.

当输入信号为方波Uo1，则积分器的输出Uo3为UO2

1(R4RP2)C2

U

O1

dt

可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度不相等的占空比可调的锯齿波.

经计算，如果选R6=1k,则R7=10K，C=100nF.

三角波图与方波图如下：

四、总原理图及元器件清单

1．总原理图

图5

2．元件清单

五、安装与调试

对直流稳压电源测试其变压器的原副边电压，整流、滤波电压，稳压管输

入输出电压，如果测试值在误差范围内，说明满足设计要求。 （一）静态调试：

用万用表对电路板进行静态测试，目的主要是为了防止虚焊或者漏焊。 静态调试没有问题之后方可以到实验室进行动态测试，主要测试参数有正弦波的幅值，输出波形频率范围。

再对方波、三角波电路的静态工作点进行测试，即方波的幅值。然后对电路进行动态测试。主要是测试方波的振荡频率的调节范围。注意用示波器测量幅值必须把所有的微调都调到顺时针顶端。在测量数之前必须把波形先调好，只有在波形不失真的情况下才能测量参数，否则所测数据没有任何意义。 （二）动态调试：

1、正弦波产生电路的安装与调试：

（1）.把UA741集成块插入面包板，注意布局，焊点焊接；

（2）.分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器、稳压管的接法； （3）.按图接线，注意直流源的正负及接地端。

(4) .频率的调节：固定电容C不变，改变RC振荡电路中R的值，在三角波幅值符合要求时，输出波形频率发生改变，测量频率变化范围. 2、方波发生电路的安装与调试： 安装方波产生电路：

把UA741集成块插入面包板，注意布局；

（1). 分别把各电阻放入适当位置，尤其注意电位器的接法； (2). 按图接线，注意直流源的正负及接地端。

调试方波产生电路：

(1). 接入电源后，用示波器进行观察； (2). 调节R9，使方波的幅值满足指标要求；

(3). 观察示波器，各指标达到要求后进行下一部安装。 3、三角波发生电路的安装与调试： （1）调试方法与方波相同。

(2)占空比调节：改变RW变中心滑头，就可以实现占空比可调。

六、性能测试与分析

1、正弦波发生部分的仿真电路图

2、方波发生部分的仿真电路图

3、三角波发生部分的仿真电路图

4、数据处理和误差计算

（1）直流电压源

①.变压器的副边输出电压为15.6V 理论 U=15V

η1=(15.6-15)/15*100%=4%

②.整流滤波电压稳压管的输入电压均为20.5V 理论 U=20V

误差η2=（20．5-20）/20*100%=2.5%

③.稳压管输出电压UO1=+12V UO2=-11.9V 理论UO1=+12V UO2=-12V 误差η3=（12-12）/12*100%=0

η4=（12-11．9）/12*100%=0.833%

(2) 波形产生

①．输出波形频率范围为190Hz－20.51KHz且连续可调。

②．正弦波幅值为2.3Ｖ

③．方波幅值为2.1Ｖ

④. 三角波峰-峰值为1.8Ｖ，占空比可调．

（3）误差分析

①.参数设计不够精确。

②.所选可调电阻的调节范围太大，调节不够精确。

③.调试没能很精确，产生的波形还有细微的失真现象，记录数据时，读数不精确导致误差产生．

④.选用的实验元件存在系统偏差．

⑤.选用的实验元件受温度的影响，实验时间过长导致的误差产生.

（4）改进该实验，减少实验误差的方法：

选取精确度较高的实验器件，在选择可变电阻时要考虑到其要调节的范围，尽可能的选用与要用最大限度接近的可调电阻，在振荡电路中可调电阻最好用双滑式可调电阻

在调试过程中要尽可能的把波形调节到不失真，调节频率时用同轴电位器，这样不仅避免了调节困难，还能使调节的精确度更高．

七、结论与心得

通过该实验，我对RC振荡电路，滞回比较器，反向积分运算电路有了更进一步的了解，将课本上所学的抽象的理论知识运用于实验中，并加强了我的动手能力。

让我了解最深的是，对方波产生电路，如果用单限比较器，输入电压在阈值电压附近的任何微小变化，都将引起输出电压的变化，即其抗干扰能力差，所以我选择用滞回比较器。

由于所买稳压管电阻为6.2V 而不是2V，所以方波幅值满足不了，我在方

波的输出端引一条线串联一个可调电阻和一个固定电阻，通过调节可调电阻，这样可以很好的使输出端电压幅值满足要求。

在今后的实验中严格要求自己，并学好的理论知识。

八、参考文献

1．童诗白 华成英 《模拟电子技术基础》 高等教育出版社

2. 《电子线路设计.实验.测试 》谢自美主编

3．毕满清编 《电子技术实验与课程设计》 机械工业大学出版社

4.《电子技术课程设计指导》，湖南大学 彭介华主编，高等教育出版社

物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表 专业：电气技术教育 班级：10电气本 学号：100805036 姓名：朱俊飞

2012年1月5日