三角波到正弦波的转化课程设计.pdf

波形转化：从三角波到正弦波的转化 前言 在人们认识自然、改造自然地过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选择不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量所需参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量和各种实际需要。波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形。波形发生器多采用模拟电子技术，通过分立元件的组合有效地实现方波、三角波、正弦波的转换。一 设计目的 1掌握电子系统的一般设计方法 2掌握模拟 IC 器件的应用 3.培养综合应用所学知识来指导实践的能力 4掌握常用元器件的识别和测试 5熟悉常用仪表，了解电路调试的基本方。二设计要求 在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源，由它产生不同频率、不同波形的电压、电流信号并加到被测器件、设备上，用其他测量仪器观察、测量被测者的输出响应，以分析和确定它们的性能参数。而波形发生器是它们中一种更为常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本次课程设计应用所学电路设计构成可产生三角波形，并在此基础上应用二极管整流网络对所产生的三角波整流为正弦波，再对正弦波进行进一步的处理。使用模拟或者数字的方法设计一个频率可调的三角波发生器，并利用二极管网络将三角波整成正弦波。三 设计原理 函数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路或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器，使用的器件可以是分立器件(如低频信号函数发生器 S101 全部采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生模块 8038)。为进一步掌握电路的基本理论及实验调试技术，本课题采用由集成运算放大器与晶体管差分放大器共同组成的三角波正弦波函数发生器的设计方法。产生正弦波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波。如图所示：比较器和积分器组成方波三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变换电路主要由差分放大器来完成。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。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此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。3.1 三角波产生电路 利用集成运放构成的比较器和电容的充放电，可以实现集成运放的周期性翻转，进而在输出端产生一个方波。给电容的充电是恒压充电，随着电容电压的升高，其充电电流越来越小，电容电压上升也越来越缓慢。理论分析可知，电容上电压的变化，是一个负指数曲线。因此，这个电路只能实现方波发生。但是，我们注意到，这个负指数曲线在工作过程中是不停地正向充电、反向放电，已经和三角波有些类似。如果能够使得电容上充电电流固定，则其电压的上升或者下降将是线性的，就可以在电容端获得一个三角波。3.2 工作原理 设 t=0 时接通电源，有1OZvV，则ZV经20R向 C 充电，使输出电压按线 性规律增长。当Ov上升到门限电压TV使110Npvv时，比较器输出1Ov由ZV上跳到ZV，同时门限电压下跳到TV值。当Ov下降到门限电压TV使110Npvv时，比较器输出1Ov又由ZV下跳到ZV。如此周而复始，产生振荡。由于电容 C 的正向与向充电时间常数相等，输出波形为三角波。其振荡周期为：12024 R RCTR （2.1.6）如图所示：3.2 三角波-正弦波转换电路的工作原理 用差分放大器作三角波正弦波的变换电路，利用差分对管的饱和与截止特性进行变换。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高、抗干扰能力强等优点。特别是做直流放大器时，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。其中RP1调节三角波的幅度，RP2调整电路的对称性，RE2用来减小差分放大器的线性区。C1、C2、C3为隔直电容，C4为滤波电容，滤除谐波分量，改善输出波形。四总电路图：五部分元器件参数的计算 比较器A1与积分器A2的元件计算如下。由于 CCmoVRPRRU1322 因此 311242132ccmoVURPRR 取R3=10k,则R3+RP1=30 k，取R3=20k,RP1为 47 k的电位器。取平衡电阻R1=R2/(R3+RP1)10 k。因为 214213)(4CRPRRRPRf 当 1Hzf10Hz时，取C2=10F，则R4=5.1k，RP2=100 k。当 10Hzf100Hz时，取C1=1F以实现频率波段的转换，R4、RP2的值不变。取平衡电阻R6=10 k。三角波正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C3、C4、C5要取得较大，因为输出频率很低，取C3=C4=C5=470uf，滤波电容 C6视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C6可取得较小，C6一般为几十皮法至 0.1 微法。R5=3k与RP4=1.2k相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的几静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R12确定。六Multisim 仿真图 七实验总结 这次课程设计让同学们懂得了专业基础知识的重要性，没有好的理论基础就不可能有实践的正确性。通过这次课程设计，加强了同学们的动手、思考和解决问题的能力。在整个设计过程中，边看书边做设计，上网及去图书馆借资料查阅，与同学的探讨，更加增强了理论水平和实践能力。彻悟学海无涯只有苦来作舟，学无止境只有书来作伴。从理论到实践，使同学们不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且会学到很多在书本上所没有学到过的知识。在设计中遇到了很多问题，但要更加认真的去做，这样才可以不断地提高自己。八、电路调试 由于比较器A1与A2组成正反馈闭环电路，同时输出正弦波与三角波，故可同时安装。在安装RP1与RP2前，要先调整到设计值，否则电路可能不起振。接通电源微调RP1，调整使三角波的输出波形，调节RP2可改变输出频率。2 三角波正弦波变换电路调试。将RP3与C4连接，调节RP3使三角波输出幅度等于Vidm值，再调整C6改善波形。当出现如下情况时：钟形失真 传输特性曲线的特性区太宽，应减小R5。半波圆顶或平顶失真 传输特性曲线对称性差，应调R12、RP4。非线性失真 三角波的线性度较差引起的失真，主要受运放性能的影响。可在输出端加滤波网络改善输出波形。八.参考文献(1)康华光 电子技术基础（模拟部分）第五版 高等教育出版社，2005(2)陈尚松 电子测量与仪器 第二版 电子工业出版社，2010(3)谢自美 电子线路设计实验测试 华中科技大学出版社 (4)梁宗善 电子技术基础课程设计 华中理工大学出版社(5)童诗白 模拟电子技术基础 高等教育出版社