波形发生器
电子电路综合实验
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总结报告
波形发生器
一、摘 要
波形发生器是一种常用的信号源,广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。函数信号发生器是一种能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析,可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。本课程采用555多谐振荡器组成的方波、三角波波形发生器以及利用滞回比较器、反向积分电路、低通滤波器、带通滤波器组成占空比可调的矩形波、锯齿波、频率不同的正弦波的设计方法。先通过555多谐振荡器接成波形发生电路3管脚产生方波输出,6管脚产生三角波输出,从6管脚引线接滞回比较器产生占空比可调的矩形波,从3管脚引线接反向积分电路产生锯齿波,接低通滤波器产生频率低的正弦波,接带通滤波器产 生频率比较高的正弦波。
二、设计任务
2.1 设计选题
选题七:波形发生器 2.2 设计任务要求
使用一片555芯片和常用运放(TL081或NE5532)芯片及常规电阻、电容、电位器,设计制作一个频率可变的同时输出矩形波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的波形产生电路。
三、设计要求及其指标
1、同时四通道输出,每通道输出矩形波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ中的一种波形,每通道输出的负载电阻均为1K欧姆。
2、四种波形的频率关系为1:1:1:3(三次谐波),矩形波、锯齿波、正弦波Ⅰ输出频率范围为8kHz—10kHz,矩形波和锯齿波输出电压幅度峰峰值为1V,正弦波Ⅰ输出幅度为峰峰值2V;正弦波Ⅱ输出频率范围为24kHz—30kHz,输出电压幅度峰峰值为2V。矩形波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真(使用示波器测量时)。
3、频率误差不大于5%,矩形波,锯齿波,正弦波Ⅰ通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%,正弦波Ⅱ通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于10%,矩形波占空比在0~1范围内可调。
4、电源只能选用+9V单电源,由稳压电源供给,不得使用额外电源。
5、要求预留矩形波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ和电源的测试端子。 6、每通道输出的负载电阻1K欧姆应标示清楚,置于明显位置,便于检查。
四、说明
1、不得使用其他芯片或二极管、三极管等器件。
2、设计报告正文中应包括方案设计、详细电路图及计算过程。 3、测试报告应注明测试所用仪器、测试方法、测试数据、测试结论。 4、放大器要留有必要的测试点,方便测试。
5、此题目主要是让学生加强对555电路、运算放大器波形发生、积分电路、有源滤波电路的理解,重点考察运算放大器单电源使用。
五、方案设计与论证 总体方案设计:
锯齿波
输出
正弦波1输出
正弦波2输出
脉冲波输出
图一:总体设计方案
此方案大致分五个模块,分别为:555多谐振荡器电路、滞回比较器电路、反向积分电路、低通滤波器电路、带通滤波器电路等。以下具体就每个模块电路进行分析设计,有些模块可能有多种设计方案,分析比较选择最适合的模块。 具体设计方案: 1、555多谐振荡器电路:
555定时器是一种多用途的数字-模拟混合集成电路,利用它不同引脚的不同接法接成不同的器件,本实验接成多谐振荡器,555定时器及接成的多谐振荡器具体电路如下
:
(a) 555定时器 (b)集成的555定时器
(c)555定时器接成的多谐振荡器 图二:555多谐振荡器 具体的555多谐振荡器电路及仿真如下:
555多谐振荡器电路图
图三:555多谐振荡器电路 电路具体参数计算:
充电时间:T1=(R1+R2)Cln2 放电的时间:T2=(R3+R4)Cln2 占空比:q
R1R2
R1R2R3R4
周期:TT1T2(R1R2R3R4)Cln2 频率:1/T
先产生频率为8KHz~10KHz的方波,在经过衰减网络衰至峰峰值1V,做为锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的输入。
有频率、峰峰值以及占空比可计算出对应的R1、R2、R3、R4值,计算后取标准值分别为:R1=2.4kΩ、R2=650Ω、R3=2.4kΩ、R4=650Ω.但是为了保证占空比把R2、R4用两个阻值为1kΩ的滑动变阻器代替,通过调节这两个电阻的阻值保证其频率在8KHz~10KHz,占空比在50%左右。具体的仿真电路及仿真结果如下: 3管脚产生方波电路:
图四 :3管脚方波电路及仿真结果
6管脚产生三角波电路:
图五: 6管脚三角波电路及仿真结果
值得注意的是在电路后边的衰减网络,保证到下一级的电压值。
2、滞回比较器:
用滞回比较器产生占空比可变的矩形波,再用衰减网络衰减至峰峰之1V。 滞回比较器利用运放接成差动放大电路 电路如下:
图六:滞回比较器电路
电路具体参数计算:
R2R2
)URUOL R3R3R2R2
UTH2(1)URUOH
R3R3
经实际测试可得,在9V供电的条件下UOL1.52V ,UOH7.48V。 555三角波输出幅度Vmin2.96V,Vmax6.16V。
R2R2
UTH1(1)UR1UOL6.16V
R3R3R2R2
UTH2(1)UR1UOH4.5V
R3R3
R2
0.2785,让R210k,R336k,可得UR1=5.149V。 可得R3
R2R2
UTH1(1)UR2UOL4.5V
R3R3R2R2
UTH2(1)UR2UOH2.96V
R3R3UTH1(1
可得UR2=3.945V。
占空比可通过调节滑动变阻器调节
占空比可调的矩形波电路及仿真:
图七:滞回比较器产生矩形波
3、反相积分电路:
峰峰值1V的方波经过积分电路变成峰峰值1V的三角波。加入了R2作用是限制积分器的低频增益,抑制了零漂。这个计算过程主要看方波关于坐标轴的对称性。
反相积分电路图:
图八: 反向积分电路
具体的参数计算:
1
2R2C1
f
2R1C
fx
f10fx
R3R1//R2
UiT
Uo ,其中Ui0.5V,Uo0.5V,
4R1C
C0.001uF
可得R127.78k,取标称值27k 由f10fx,R2R1 ,取标称值100k 取R322k。 反相积分电路仿真:
图九:反相积分电路仿真
4、二阶压控低通滤波电路
单电源压控二阶低通滤波电路的交流通路与双电源相同,计算方法一样。峰峰值
4*0.5
0.637 ,要得到2V峰峰值,得放大1.571V的方波的一次谐波的幅度为
倍。我感觉这个滤波器用用切比雪夫的可以达到,利用尖峰那段,大概10K左右的差不多,达到5%的平坦度。
图十:低通滤波电路
Aup Q
R1
1 R2
1
3Aup
让R3R4
1
f
2R3C
峰峰值为2V,所以R1/R2=2,选R1=1.2kΩ,R2=2.4kΩ. 低通滤波电路及仿真:
图十一:低通滤波电路
六、装调测试过程
⒈ 测试仪器
(1)示波器 (2)直流稳压电源 (3)函数信号发生器
⒉ 测试过程
1)555多谐振荡器电路测试:
电路焊接完成后接通9V直流稳压电源进行测试调试,调试完成后所的波形如下: 经测试得:
方波:
VPP =1.04v f=9.336KHZ p=50%
三角波;
VPP =3.28v f=9.259KHZ
图十二:引脚三输出方波
图十三:引脚6输出三角波
2)滞回比较器电路测试:
焊接电路完成后,接通9V直流稳压电源,将引脚6接入滞回比较器正相段,调试结果如下:
经测试得:
VPP=1.06V f=9.009KHZ
通过调节滑动变阻器来改变占空比。
图十四:滞回比较器测试结果
3)反相积分电路测试:
焊接电路完成后接入3管脚,测的实验波形如下:
测试结果:
VPP=1.03V f=9.434KHZ
图十五:反相积分电路测试结果
4)带通滤波器电路测试:
焊接完成后接入3引脚进行测试
测试结果如下:
VPP=1.98V f=9.524KHZ
图十六:低通滤波器测试
七、故障分析:
1)多谐振荡电路3,6管脚出现的不是方波和三角波
分析: 电路出现断接,未连接好电路
解决: 检查电路,按照实验原理图和仿真电路检查重新焊接电路。
2)方波出现尖峰,而非平顶方波
分析: 电路中电容充放电。
3)锯齿波显示时由梯形波变成三角波
分析: 电路中连接有不稳定的地方。
4)正弦波发生时并非正弦波
分析: 电路中电阻连错,把1kΩ和100kΩ接错。
八、总结与体会
一周的课程设计很快就结束了,但其过程可谓曲折艰难, 通过本周的课程设计,我认识到课本上的知识的实际应用,激发了学习兴趣,增强了思考和解决实际问题的能力。这是我第一次做课程设计,给我留下了很深的印象。虽然只是短暂的一周,但在这期间,却让我受益匪浅。
这次课程设计让我认识到了知识和实践的重要性。只有牢固掌握了所学的知识,才能有清晰的思路,知道每一步该怎样走。才能顺利的解决每一个问题。就以这次课程设计为例,刚拿到题目的时候,大致看一下要求,根据平时所学的知识,脑海中就立刻会想到应该用到的元器件,然后再去图书馆去查这些元器件的资料,很快地初步方案以及大概的电路原理图就出来了。但是,在具体的细节设计上,我却不知道为什么,从而明白了自己基础知识掌握得不牢固。还好由老师的指导和同学们的帮助,才使我顺利的完成此次课程设计所以,这次课程设计在让我认识了知识的重要性之外,更让我明白了自己理论知识和实践知识的欠缺,让我坚定了以后努力学习知识的决心。