2022年波形发生器实验报告1 .pdf

任意波形发生器的设计第一部分设计内容一、任务利用运算放大器设计并制作一台信号发生器，能产生正弦波、 方波、三角波、锯齿波等信号，其系统框图如图所示。二、要求 1 不使用单片机，实现以下功能：（1）至少能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波四种周期性波形；在示波器上可以清晰地看清楚每种波形。20 分（2）输出信号的频率可通过按钮调节； （范围越大越好） 20 分（3）输出信号的幅度可通过按钮调节； （范围越大越好） 20 分（4）输出信号波形无明显失真；10 分（5）稳压电源自制。 10 分（6）其他 2 种扩展功能。 20 分信号发生器系统框图第二部分方案比较与论证方案一、以 555 芯片为核心，分别产生方波，三角波，锯齿波，正弦波电路配置如图1所示U1LMC555CNGND1DIS7OUT3RST4VCC8THR6CON5TRI2VCC6VR11kR262kR620kKey=B50%C310nFIC=0VC110nFIC=0VC4100uFC7470nFIC=0VC8100nFIC=0VR410kR52kR72kC6100nFIC=0VC510uFR3510LED1图 1 信号产生参数调整稳压电源信号放大信号输出精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页此方案较简单，但是产生的频率不够大最后输出正弦波时，信号受干扰大。方案二由简单的分立元件产生，可以利用晶体管、LC 振荡回路，积分电路的实现方波三角波，正弦波的产生。此方案原理简单但是调试复杂，受干扰也严重。方案三、采用集成运放如（ LM324 ）搭建 RC文氏正弦振荡器产生正弦波，正弦波的频率，幅度均可调，再将产生的正弦波经过过零比较器，实现方波的输出，再由方波到三角波和锯齿波。此方案电路简单， 在集成运放的作用下， 可以较容易的测到所需的波形。通过调整参数可以得到较完美的波形。实际设计过程采用方案三，基本原理如图2 所示基本设计原理框图（图2）第三部分：电路原理及电路设计电路的构成：1、正弦波采用 RC 桥式振荡器（如图3）, RC 串并联网络是正反馈网络，Rf 和 R1 为负反馈网络。正弦波发生器方波三角波正弦波过零比较器积分器通过改变积分电路的充放电时间可以输出锯齿波。图（ 3）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页为满足振荡的幅度条件 |FA|=1，所以 Af3。加入 Rf、R1 支路，构成串联电压负反馈。当电路达到稳定平衡状态时：3VA31ofVVFVRCff210由以上原理可设计出产生正弦波的电路图：U1ALM324AJ321141D1DIODE_VIRTUALC10.01uF R14.7kOhm R44.7kOhm R215kOhm C20.01uF R310kOhm V112 V V212 V D2DIODE_VIRTUALXSC1ABGTR5Key = A 50%图 4 其中 R4 为小电阻，只要满足R4+R5 略大于 2R1 使|FA|1,电路便可起振，随着输出的增大 A 自动降到 |FA|=1，使得输出稳定在某一值。通过调整并串谐振网络中的电阻阻值（满足RCff210）便可调整输出频率的范围。为了使振荡幅度稳定， 通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大电路的增益， 从而维持输出电压幅度的稳定。 图中的两个二极管 D1 ，D2便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极管 D1、D2截止，负反馈系数由R3 、RW 及 R4决定；当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管 D1、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。为了维持振荡输出，必须让313RRf精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页为了保证电路起振，当：R1=R2=R ，C1=C2=C 时，电路的振荡频率：起振的幅值条件：2、方波的设计原理三、方波、三角波电路原理313RRf)/(4DWfrRRRRCf2123RRfR1R2R3WR10K20K1K0.022FCPV01V02VZDZV50KA1A2NV精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页方波和三角波发生器的工作原理：A1构成迟滞比较器同相端电位 Vp由 VO1和 VO2决定。利用叠加定理可得：当 Vp0 时，A1输出为正，即VO1 = +Vz；当 Vp0 时，A1 输出为负即VO1 =-Vz。A2构成反相积分器VO1为负时，VO2 向正向变化， VO1 为正时，VO2 向负向变化。假设电源接通时 VO1=-Vz ，线性增加。当：时，可得：当 VO2上升到使 Vp略高于 0V时，A1的输出翻转到 VO1=+Vz 。同样：时当 VO2下降到使 Vp略低于 0 时，VO1 =-Vz 。这样不断的重复，就可以得到方波 VO1和三角波 VO2 。其输出波形如图5 所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值Vz之间。电路的振荡频率：方波幅值： = 三角波幅值： = 调节可改变振荡频率，但三角波的幅值也随之而变化。图 5 三角波发生器波形图0212201121VRRRVRRRVPZVRRV21020)()(21122121ZZPVRRRRRVRRRVZVRRV21022014WRfRRC01VZV02V21RRWRZVZV12ZRVR12ZRVRt0VZV精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如左图所示。 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-1 所示的符号来表示，它有5 个引出脚，其中“ +” 、 “- ”为两个信号输入端， “V+” 、 “V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi- （- ）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图 3-2。图 3-1图 3-2 图 3-3 各对应管脚由于 LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。如图3-3 各对应管脚。第四部分：电路测试与数据记录内容正弦波方波三角波锯齿波波形幅度范围频率范围第五部分：测试结果分析与总结简单波形发生器设计， 看上次简单实际设计起来还是碰到许多麻烦。设计之初我们复习和查阅了相关资料， 包括如何运用集成运放来产生波形，先产生什么波形，怎样应用积分电路， 怎样用运放来放大所需要的电路，如何设计滤波可以使这些波形更好看等等。并初步对电路进行设计，并运用了Multisim10仿真软件对设计的电路进行仿真，通过修改参数最后仿真出的结果符合最初设想的电路。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页接着我们把理论付诸实践， 把焊好的电路板拿到实验室测试，结果出现了许多错误，我们一一排除，在每个模块都输出了基本波形，但是波形都不好看，我们就通过并联电容的方法来使波形更平滑。电路基本达到要求但是总体测试频率变化范围不大。最后我们把通过验证的电路做成PCB ，使电路更加稳定。总结此次设计，在我们小组成员的共同努力下，基本完成了正弦波、方波、三角波电路的设计与实现。 我们收获颇多。我们学会了基本电路功能和理论计算，查找相关资料，进行分析。附录U1ALM324AJ*321141D1DIODE_VIRTUAL*C10.01uF R14.7kOhm R24.7kOhm R310kOhm C20.01uF R410kOhm V112 V V212 V J1Key = CU2ALM324AJ*321141U3ALM324AJ*321141V312 V V412 V V512 V V612 V R510kOhm R620kOhm R71kOhm D35 V D45 V C322nF R8200kOhm D5DIODE_VIRTUAL*R91kOhm D6DIODE_VIRTUAL*J2Key = DR10Key = A 50%R11Key = A 50%D2DIODE_VIRTUAL*精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页