太原理工电路CAD课程设计-波形发生器(8页).doc

-太原理工电路CAD课程设计-波形发生器-第 5 页电路CAD课程设计报告设计题目： 波 形 发 生 器 专业班级： 电信0703班 学 号： 07002376 学生姓名： 王瑞成 题目 波形发生器一、设计任务与要求1.设计要求：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的方波，其电压幅度为+Vs = |Vs| = 14V。同时产生一个频率为fo = 5kHz的三角波，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2.设计任务：（1）方波发生器设计；（2）三角波发生器设计；（3）电源电路设计。二、方案设计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、阶梯波等电压波形的电压或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的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和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，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的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的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的时间间隔交替变化，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的时间。 系统原理框图如下示：正弦波发生器过零比较器积 分 器正弦波方 波三角波 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，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分电路产生同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，且随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波的幅度同时改变。若要同时保持三角波的输出幅度不变，须同时改变积分时间常数的大小。 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的抗干扰能力。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和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，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的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的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的时间间隔交替变化，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的时间。三、单元电路设计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的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，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的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的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的时间间隔交替变化，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的时间。下图（图4）是矩形发生器电路，它由反相输入的滞回比较器和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。矩形发生电路原理：将输出电压U0经过RC积分电路，利用电容的充放电电压取代外加输入信号送入比较器反相端，与同相端上的门限电压相比较，使比较器的输出不断发生转化，从而形成高低电平周期性交替的矩形振荡波形。接通电源的瞬间，电容C的初始电压为0，电路输出电压U0使高电平或者低电平是随机的，假设输出电压为高电平U0=+UZ，则运放的同相输入端电位是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，同相端的电位U+由UT+变为UT-。(2)UC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，同相端的电位U+由UT-变为UT+。2三角形波发生器电路在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值电压数值比较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算的输出就得到三角波电压。如图（6）所示。 三角波产生电路3电源电路本设计还要求有电源电路。 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压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、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。图（7）为稳压电源. 输出电压可调的稳压电源四、单元电路计算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的可调范围为50050M。当可调电阻R3为10K时，达到本次设计要求的5KHz。在本次设计中，为了满足负载的需要，在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的Ut 。为了产生幅度相同的矩形波，两个稳压管的特性必须相同，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的值为14.9717V。2.幅度的计算公式：±Ut=±R1Uz/R2Ut=±14.9717V。如果电路图仅此而已，如下图（8）所示，则幅度改变的话，频率就跟着改变。如何使调频率和调幅度不相互影响？ 幅度改变频率就跟着改变的信号发生器 对应图（8）的信号发生器输出波形可以在输出端Ut处加一跟随器，这样调频和调幅可互不影响。如下图图（10）所示： 调频和调幅可互不影响的信号发生器 对应图（10）的调频和调幅可互不影响的信号发生器输出波形这样调频率则调R3，调方波幅度则调R6，调三角波幅度则调R7，所以方波输出幅度的范围为0V14.9717V，当电阻R6为20K*6%=1.2K时，达到本次设计的要求14V。三角波输出幅度范围为0V14.9717V，当电阻R7为20K*66%=13.4K时，达到本次设计的要求5V。五、总原理图及元器件清单1总原理图（1）用EWB仿真设计a用EWB绘制的电路图： EWB绘制波形发生器b用EWB仿真的波形图 EWB绘制波形发生器仿真结果此时即为设计要求的值。（2）用Protel模拟电路a.用Protel绘制的原理图用Protel绘制的原理图用Protel绘制的原理图局部截图b.用Protel绘制的原理图ERC检查用Protel绘制的原理图ERC检查c.用Protel绘制的原理图生成网络表 用Protel绘制的原理图生成网络表（一） 用Protel绘制的原理图生成网络表（二）用Protel绘制的原理图生成网络表（三） 用Protel绘制的原理图生成网络表（四） 用Protel绘制的原理图生成网络表（五） 用Protel绘制的原理图生成网络表（六） 用Protel绘制的原理图生成网络表（七）d.用Protel绘制的PCB板： 用Protel绘制的原理图生成PCB板 用Protel绘制的原理图封装PCB板（3）元件清单及封装（表一）表1 波形发生器电路原理图中的元件清单元件序号型号主要参数封装数量备注R1RES215kAXIAL0.31R2RES215kAXIAL0.31R4RES210kAXIAL0.31R5RES210kAXIAL0.31R3POT2100kVR21R6POT220kVR21R7POT220kVR21CCAP0.005uFRAD0.41C1CAP100uFRAD0.41C2CAP100uFRAD0.41D1DIODE SCHOTTKYDIODE0.41D2DIODE SCHOTTKYDIODE0.41OPAMP1OPAMPDIP61OPAMP2OPAMPDIP61OPAMP3OPAMPDIP61OPAMP4OPAMPDIP61B1BATTERY14vRAD0.41B2BATTERY14vRAD0.41B3BATTERY14vRAD0.41B4BATTERY14vRAD0.41B5BATTERY14vRAD0.41B6BATTERY14vRAD0.41B7BATTERY14vRAD0.41B8BATTERY14vRAD0.41六、结论与心得通过这次课程设计，我了解了电路CAD的各项功能和CAD的发展，了解了电路CAD的数值计算方法和电路分析的基本方法基础，以及EWB软件的作用和用途，并通过自己的实践，利用Protel软件制作简易波形发生器的电路以及PCB板。也是在设计中认识到自己学习中的不足，在设计中也有不懂得地方，在网上查找资料和同学们的帮助下，总算完成了设计任务，在这次课程设计中，也算受益颇多。