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1、波形发生器(课程设计)波形发生器的设计1设计目的1把握用集成运算放大器构成正弦波、方波和三角波函数发生器的设计方法。2学会安装与调试由分立器件与集成电路组成的多级电子电路小系统。2设计任务设计一台波形信号发生器，详细要求如下：1输出波形：正弦波、方波、三角波。2频率范围：3Hz30Hz，30Hz300Hz，300Hz3KHz，3KHz30KHz等4个波段。3频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率。4输出电压：方波峰峰值VUpp24；三角波峰-峰值V8Upp=，正弦波峰-峰V1Upp。3.设计要求1完成全电路的理论设计2参数的计算和有关器件的选择3PCB电路的设计4撰写设计报告书一份；A
2、3图纸2张。报告书要求写明下面主要内容：总体方案的选择和设计；各个单元电路的选择和设计；PCB电路的设计4、参考资料l李立主编.电工学实验指导.北京：高等教育出版社，20052高吉祥主编.电子技术基础实验与课程设计.北京：电子工业出版社，20043谢云，等编著.当代电子技术实践课程指导.北京：机械工业出版社，2003目录一.设计的方案的选择与论证(3)1.1设计方案(3)1.1.1设计方案1(3)1.1.2设计方案2(4)1.1.3设计方案3(5)1.2方案选择(6)二.单元电路的设计(6)2.1方案设计(6)2.1.1正弦波电路(6)2.1.2方波电路(11)2.1.3三角波电路(12)2.
3、2参数的选择(13)三、仿真(14)3.1软件介绍(14)3.2仿真的经过与结果(15)四、PCB制版(15)4.1软件简介(15)4.2PCB电路板设计步骤(20)五、总结与心得(21)六、附录(22)6.1材料清单(22)6.2原理图(23)6.3PCB板图(24)七、参考文献(25)一设计方案的选择与论证产生正弦波、三角波、方波的电路方案有多种。由于本次设计要求频率并未超过1MHz，因而正弦波的产生能够通过RC桥式正弦波振荡电路产生，可以以通过滤波法或折线法对三角波进行变换来产生，或者利用差分放大电路实现三角波-正弦波变换。三角波一般通过积分电路对方波进行变换来获得。方波一般通过电压比拟
4、器来产生。综上能够得出两种设计方案：一设计方案1.1.1设计方案1由三角波，方波发生器产生三角波和方波信号，然后通过转换电路将三角波转换成正弦波信号，其电路框图如下所示：比拟器积分器正弦波变换器图一、方案一原理框图差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。十分是作为直放逐大器，能够有效的抑制零点漂移，因而可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。图二、差分放大电路但是相对于正弦波振荡电路来讲，此方案较为复杂，且对器件要求较高。1.1.2设计方案2首先产生正弦波，再由过零比拟器产生方波，最后由积分电路产生三角波。正弦波通过RC串并联振
5、荡电路文氏桥振荡电路产生，利用集成运放工作在非线性区的特点，由最简单的过零比拟器将正弦波转换为方波，然后将方波经过积分运算变换成三角波。其电路框图如下列图所示：1.2方案选择最终整体方案选择方案2，主要是由于方案中的正弦波变换器多为差分电路，然而差分电路较为复杂，而且对器件要求较高，方案三中的ICL8038单片集成电路造价较高，因而，综合考虑之后选择方案2。二单元电路设计2.1方案设计2.1.1正弦波发生电路(1)方案一、RC振荡电路采用RC选频网络构成的振荡电路称为RC振荡电路，它适用于低频振荡，一般用于产生1Hz1MHz的低频信号。由于对于RC振荡电路来讲，增大电阻R即可降低振荡频率，而增
6、大电阻是无需增加成本的。RC串并联网络的频率特性能够表示为：)1(31111212RCRCjRCjRCjRRCjRfZZZUUF+=+=+=?令RCo1=，则上式可简化为)-(31OOjF+=?以上频率特性可分别用幅频特性和相频特性的表达式表示如下：|F?|)-(3122oo+=)-(3arctanoo=根据上式能够分别画出RC串并联网络的幅频特性和相频特性。RC正弦波振荡电路示意图：图五、RC正弦波振荡电路根据RC串并联网络的选频特性及上述平衡条件容易得到RC正弦波振荡电路的振荡频率为：RCfo21=；振荡的幅度平衡条件|FA?|1=是表示振荡电路已到达稳幅振荡时的情况。若要振荡电路能够自行
7、起振，开场时必须知足1|?FA的幅度条件。已知当ffo=时，31|=?F，由此可求得振荡电路的起振条件为：3|?uA同相比例运算电路输出电压与输入电压之间的比例系数为：3R1+RF即RF=2R因而，根据RC振荡电路的频率计算公式RCfo21=可知，只需改变R或C的值即可。本方案选用了最简单有效的电阻分压的方式调幅，在输出端通过电阻接地，输出信号的幅值取决于电阻分得的电压多少，其最大幅值为电路的输出电压峰值，最小值为0。2方案二、LC振荡电路LC振荡电路主要用来产生高频正弦波信号，电路中的选频网络由电感和电容组成。常见的LC正弦波振荡电路有变压器反应式LC振荡电路、电感三点式LC振荡电路和电容三
8、点式LC振荡电路，它们的选频网络采用LC并联谐振回路。LC振荡电路运用了电容跟电感的储能特性，让电磁两种能量交替转化，也就是讲电能跟磁能都会有一个最大最小值，也就有了振荡。不过这只是理想情况，实际上所有电子元件都会有损耗，能量在电容跟电感之间相互转化的经过中要么被损耗，要么泄漏出外部，能量会不断减小，所以实际上的LC振荡电路都需要一个放大元件，要么是三极管，要么是集成运放等数电IC，利用这个放大元件，通过各种信号反应方法使得这个不断被消耗的振荡信号被反应放大，进而最终输出一个幅值跟频率比拟稳定的信号。频率计算公式f=1/2LC开机霎时产生的电扰动经三极管V组成的放大器放大，然后由LC选频回路从
9、诸多的频率中选出谐振频率F0。并通过线圈L1和L2之间的互感耦合把信号反应至三极管基极。设基极的霎时电压极性为正。经倒相集电压瞬时极性为负，按变压器同名端的符号能够看出，L2的上端电压极性为负，反应回基极的电压极性为正，知足相位平衡条件，偏离F0的其它频率的信号由于附加相移而不知足相位平衡条件，只要三极管电放逐大系数B和L1与L2的匝数比适宜，知足振幅条件，就能产生频率F0的振荡信号。常用LC振荡电路产生的正弦波频率较高，若要产生频率较低的正弦振荡，势必要求振荡回路要有较大的电感和电容，这样不但元件体积大、笨重、安装不便，而且制造困难、成本高。因而，200kHz下面的正弦振荡电路，一般采用振荡
10、频率较低的RC振荡电路。3方案三、石英晶体正弦波振荡电路并联型石英晶体正弦波振荡电路假如用石英晶体取代LC振荡电路中的电感,就得到并联型石英晶体正弦波振荡电路,如左下列图所示,电路的振荡频率等于石英晶体的并联谐振频率。图六、并联型石英晶体振荡电路图七、串联型石英晶体振荡电路串联型石英晶体振荡电路如右上图所示为串联型石英晶体振荡电路。电容Cb为旁路电容,对沟通信号可视为短路。电路的第一级为共基放大电路,第二级为共集放大电路。若断开反应,给放大电路加输入电压是,极性上“+下“-；则T1管集电极动态电位为“+,T2管的发射极动态电位也为“+。只要在石英晶体呈纯阻性,即产生串联谐振时,反应电压才与输入
11、电压同相,电路才知足正弦波振荡的相位平衡条件。所以电路的振荡频率为石英晶体的串联谐振频率fS。调整Rf的阻值,可使电路知足正弦波振荡的幅值平衡条件。但是石英晶体正弦波振荡电路常用于替换LC振荡电路，常应用于高频电路，低频电路一般选择RC振荡电路2.1.2方波电路：1方案一、滞回比拟器电路由反相输入的滞回比拟器和RC电路组成。图八、滞回比拟器RC回路既作为延迟环节，又作为反应网络，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Rf对电容C正向充电。反相输入端电位Un随时间t的增长而逐步增高，当t趋于无穷时，Un趋于+Uz；但是，一旦Un=+Ut,再稍增大，Uo从+Uz跃变为-Uz,与此同时Up从+Ut跃变为-Ut。随后，Uo又通过Rf对电容C反向充电，Un随时间逐步增长而减低，当t趋于无穷大时，Un趋于-Uz。但是，一旦Un=-Ut,再减小，Uo就从-Uz跃变为+Uz，Up从-Ut跃变为+Ut，电容又开场正相充电。上述经过周而复始，电路产生了自激振荡。2方案二、一般单限比拟器能够将其接在正弦振荡电路的输出端，可以以将其接在三角波输出电路的输出端。图九、一般单限比拟器