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1、电路CAD课程设计报告 题 目 波 形 发 生 器 学生姓名 学 号 学 院 专 业 指导教师 2011 年 12 月 18 日摘 要 波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形电压或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形波形发生器，使用器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。本次波形发生器设计要求产生方波与三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础，当方波电压加在积分运算电路输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反
2、馈；因为输出状态应按一定时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。关键词：波形发生器，三角波，方波，电路原理图，PCB图 目 录1 设计任务及要求.31.1 设计要求.3 设计任务.32 方案选择 .33 单元电路设计.53.1 矩形波发生器电路.53.2 三角波发生器电路.63.3 电源电路.63.4 单元电路计算.74 电路板图设计.104.1 总原理图.105 设计结论146 参考文献.14 波形发生器1、设计任务及要求使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为fo = 5 kHz方波，其电压幅度为+Vs = |Vs| = 14V。同时产生一个
3、频率为fo = 5kHz三角波，其幅度为+Vt = |Vt| = 5V。波形发生器方框图见图（图1）。方波发生器电路三角波发生器电路电源电路 波形发生器方框图1.2设计任务：方波发生器设计；三角波发生器设计；电源电路设计。2、 方案选择 波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形电压或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形波形发生器，使用器件可以是分立器件（如视频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块5G8038）。本次波形发生器设计要求产生方波与三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础，当方波电压加在积分运算电
4、路输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。系统原理框图如下示： 模拟电路实现方案 用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如上示。此电路结构简单，且有良好正弦波与方波信号。但经过积分电路产生同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路积分时间常数是不变，且随着方波信号频率改变，积分电路输出三角波幅度同时改
5、变。若要同时保持三角波输出幅度不变，须同时改变积分时间常数大小。 系统原理框图如下示：方波发生器电路三角波发生器电路电源电路 波形发生器方框图若用运放完成，则选定用比较器，比较器器有好多种，比如单限比较器，滞回比较器，窗口比较器等等。虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就是具有一定抗干扰能力。从而选择滞回比较器。由于本次波形发生器设计要求产生方波与三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础，当方波电压加在积分运算电路输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它重要组成部分；因为产生振荡，就
6、要求输出两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。3 .单元电路设计3.1 矩形波发生器电路 矩形波发生电路是其它非正弦发生电路基础，当方波电压加在积分运算电路输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持时间。下图是矩形发生器电路，它由反相输入滞回比较器
7、与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，放电实现输出状态自动转换。矩形发生电路 原理：将输出电压U0经过RC积分电路，利用电容充放电电压取代外加输入信号送入比较器反相端，及同相端上门限电压相比较，使比较器输出不断发生转化，从而形成高低电平周期性交替矩形振荡波形。接通电源瞬间，电容C初始电压为0，电路输出电压U0使高电平或者低电平是随机，假设输出电压为高电平U0=+UZ，则运放同相输入端电位是U+=UT+.(1)u0通过R对电容C正向充电，使UC增加，当UC上升到略大于UT+，比较器输出电压发生反转，U0由+UZ变为-UZ，同相端电位U+由UT+变为UT-。(2)UC
8、通过T对电容反向放电，使UC减小，当UC减小到略小于UT-，比较器输出电压发生反转，U0由-UZ变为+UZ，同相端电位U+由UT-变为UT+。3.2 三角形波发生器电路 在方波发生电路中，当滞回比较器阈值电压数值比较小时，可将电容两端电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波线性度较差，另一方面带负载后将使电路性能产生变化。实际上，只要将方波电压作为积分运算电路输入，在积分运算输出就得到三角波电压。如下图所示。 三角波产生电路3.3 电源电路 本设计还要求有电源电路。 稳压电源设计，是根据稳压电源输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压Uop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器
9、、整流二极管与滤波电路中所用元器件性能参数，从而合理选择这些器件。下图为稳压电源. 输出电压可调稳压电源3.4 单元电路计算 3.4.1 频率计算公式：由于R3是可调电阻，可调范围为0100K，所以频率f可调范围为50050M。当可调电阻R3为10K时，达到本次设计要求5KHz。在本次设计中，为了满足负载需要，在集成运放输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适Ut 。为了产生幅度相同矩形波，两个稳压管特性必须相同，如图（6）。本次设计采用两稳压管反向串接，其中稳压电压为14V，正向导通电压为0.9717V。所以Uz值为14.9717V。 3.4.2 幅度计算公式：Ut=R1Uz/R2Ut=14.9
10、717V。如果电路图仅此而已，如下图所示，则幅度改变话，频率就跟着改变。如何使调频率与调幅度不相互影响幅度改变频率就跟着改变信号发生器 对应信号发生器输出波形 可以在输出端Ut处加一跟随器，这样调频与调幅可互不影响。如下图所示： 调频与调幅可互不影响信号发生器 对应调频与调幅可互不影响信号发生器输出波形4 电路板图设计4.1 总原理图4.1.1 用EWB仿真设计 a用EWB绘制电路图： EWB绘制波形发生器 b用EWB仿真波形图：EWB绘制波形发生器仿真结果4.1.2 用Protel模拟电路d.用Protel绘制PCB板： 用Protel绘制原理图封装PCB板4.1.3 元件清单及封装：元件序
11、号型号主要参数封装数量备注R1RES210k1R2RES215k1R3RES210k1R4RES21R5POT210kVR21R6POT28kVR21R7POT28kVR21C1CAP0.2uF1C2CAP100uF1C3CAP100uF1D1DIODE SCHOTTKY1D2DIODE SCHOTTKY1OPAMP1OPAMPDIP61OPAMP2OPAMPDIP61OPAMP3OPAMPDIP61OPAMP4OPAMPDIP61BT1BATTERY15v1BT2BATTERY15v1BT3BATTERY15v1BT4BATTERY15v1BT5BATTERY15v1BT6BATTERY15
12、v1BT7BATTERY15v1BT8BATTERY15v15 .设计结论 通过本次课程设计，学会了通过使用EWB仿真，产生平时示波器上才有方波与三角波波形。成功使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为fo = 5 kHz方波，其电压幅度为+Vs = |Vs | = 15V。同时产生一个频率为fo = 5kHz三角波，其幅度为+Vt = |Vt | = 5V。并通过自己实践，利用Protel软件制作简易波形发生器电路以及PCB板。这次设计在网上查找资料与教师同学们帮助下，最终达到了设计目，非常感谢教师指导，同时也看到了自己不足。以后将更加努力，多做才能熟练，本次课程设计将在以后工作中给予巨大启示！6 .参考文献电路CAD讲义萧宝瑾太原理工大学电路CAD课程设计教学大纲（08）课程设计报告说明第 - 9 - 页