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1、洛 阳 理 工 学 院课 程 设 计 报 告 课程名称 _模拟电子技术基本教程_设计题目 函数发生器设计 专 业 _物联网工程专业_班 级 学 号 姓 名 完成日期 _ 2017/01/05_ 课 程 设 计 任 务 书设计题目:_函数发生器设计_设计内容与要求:利用运放和分立元器件设计一函数信号发生器,能输出正弦波、三角波、方波等。技术指标:1.输出频率:1Hz-100KHz连续可调;2.输出幅值:正弦波峰-峰值010V;三角波波峰-峰值05V;方波波峰-峰值010V;3.输出阻抗:Ro100;4.输出:正弦波失真度5%,三角波非线性5%,方波上升时间10us; 指导教师: 秦玉洁 年 月
2、日课 程 设 计 评 语 成绩: 指导教师:_秦玉洁 _ 年 月 日一、设计的具体实现51、系统概述51.1正弦波发生电路的工作原理51.2 正弦波转换方波电路的工作原理6二、单元电路设计与分析92.1 正弦波发生电路的设计92.2 正弦波转换方波电路的设计112.3 方波转换成三角波电路的设计132.4仿真电路152.5实验数据15三、总结16原理框图图1.1一、设计的具体实现1、系统概述1.1正弦波发生电路的工作原理产生正弦振荡的条件:正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波,我们一般在放大电路中引入正反馈,并创造条件,使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本结构是:引
3、入正反馈的反馈网络和放大电路。其中:接入正反馈是产生振荡的首要条件,它又被称为相位条件;产生振荡必须满足幅度条件;要保证输出波形为单一频率的正弦波,必须具有选频特性;同时它还应具有稳幅特性。因此,正弦波产生电路一般包括:放大电路;反馈网络;选频网络;稳幅电路个部分。正弦波振荡电路的组成判断及分类:(1) 放大电路:保证电路能够有从起振到动态平衡的过程,电路获得一定幅值的输出值,实现自由控制。(2) 选频网络:确定电路的振荡频率,是电路产生单一频率的振荡,即保证电路产生正弦波振荡。(3) 正反馈网络:引入正反馈,使放大电路的输入信号等于其反馈信号。(4) 稳幅环节:也就是非线性环节,作用是输出信
4、号幅值稳定。 判断电路是否振荡。方法是: (1)是否满足相位条件,即电路是否是正反馈,只有满足相位条件才可能产生振荡 (2)放大电路的结构是否合理,有无放大能力,静态工作是否合适; (3) 是否满足幅度条件正弦波振荡电路检验,若: (1) 则不可能振荡; (2) 振荡,但输出波形明显失真; (3) 产生振荡。振荡稳定后。此种情况起振容易,振荡稳定,输出波形的失真小 分类: 按选频网络的元件类型,把正先振荡电路分为:RC正弦波振荡电路;LC正弦波振荡电路。RC正弦波振荡电路 常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路,它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。 串并联网络在此作为选频和反馈网络。
5、它的电路图如图(1)所示: 它的起振条件为: 。它的振荡频率为: 它主要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号,一般采用LC正弦波振荡电路。它的振荡频率为: 。1.2 正弦波转换方波电路的工作原理 在单限比较器中,输入电压在阀值电压附近的任何微小变化,都将引起输出电压的跃变,不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。因此,虽然单限比较器很灵敏,但是抗干扰能力差。而滞回比较器具有滞回特性,即具有惯性,因此也就具有一定的抗干扰能力。从反向输入端输人的滞回比较器电路如图1a所示,滞回比较器电路中引人了正反馈。从集成运放输出端的限幅电路可以看出,UOUZ。集成运放反相输人端电位UPUI同相输入端
6、电位图1.2令UN=UP求出的uI就是阀值电压,因此得出输出电压在输人电压u,等于阀值电压时的变化。若uI+UT,那么UN一定大于uP,因而UO-UZ,所以uP-UT。只有当输人电压UI减小到-UT,再减小一个无穷小量时,输出电压UO才会从-UT跃变为+UT。可见,UO从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的,电压传输特性如图b)所不。从电压传输特性上可以看出,当-UTuI+UT时,UO可能是-UT,也可能是+UT。如果uI是从小于-UT,的值逐渐增大到-UTuI+UT,那么UO应为+UT;如果uI从大于+UT的值逐渐减小到-UTuI+UT,那么应为-UT。曲线具有方向性,
7、如图b)所示。实际上,由于集成运放的开环差模增益不是无穷大,只有当它的差模输人电压足够大时,输出电压UO才为UZ。UO在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中,随着uI的变化,将经过线性区,并需要一定的时间。滞回比较器中引人了正反馈,加快了UO的转换速度。例如,当UO+UZ、uP=+UT时,只要uI略大于+UT足以引起UO的下降,即会产生如下的正反馈过程:UO的下降导致uP下降,而UP的下降又使得UO进一步下降,反馈的结果使UO迅速变为UT,从而获得较为理想的电压传输特性。本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号,其传输特性曲线如下图所示: 正弦波传输特性1.3 方波转换成三角波
8、电路的工作原理:图1.3 图1.4当输入信号为方波时,其输出信号为三角波,电路波形图如下:图1.5二、单元电路设计与分析2.1 正弦波发生电路的设计 本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波,其电路图如下所示RC桥式正弦振荡电路图2.1 该反馈电路Rf回路串联两个并联的二极管,如上图所示串联了两个并联的1N4148,这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点,加入非线性环节,从而使输出电压稳定。此时输出电压系数为 Au=1+(Rf+rd)/R1 RC振荡的频率为:f0=1/(2RC) 该电路中R=10K C=100nF f0=1/(2*3.14*1000*0.000
9、0001)1592Hz T=1/f0=1/1592=0.628ms用Multisim10.0对电路进行仿真得到下图图2.2仿真波形从图中可得出产生的正弦波最大值Umax=10.984V; T=1.591ms4=6.364ms6.4ms.F0=1/T=1562Hz.仿真得出的数据与理论计算基本一样,电路正确。2.2 正弦波转换方波电路的设计 本电路中采用滞回电压比较器将正弦波转成方波,其电路原理如下图所示滞回电压比较器电路原理图图2.3 本电路中用到的稳压管稳压电压为5V 电路中阈值电压为: UT1=-UZ UT2=UZ 用Multisim10.0对其进行仿真得到如下波形图波形仿真:图2.4 从
10、波形中可以得到方波电压为5.6V,与理论基本一样,可得出电路是正确的。2.3 方波转换成三角波电路的设计 本电路中方波转成三角波采用积分电路,其电路原理如下图所示积分电路图图2.5 积分电路分工为: U0=-+u0(t1) 电路仿真如下图所示图2.62.4仿真电路图2.7该电路分为三部分,第一部分为RC桥式正弦振荡电路,其功能是利用RC振荡产生特定频率的正弦波;第二部分为电压比较器电路,其功能为将正弦波转成方波;第三部分为积分电路,其功能为利用积分电路将方波转成三角波; 在正弦波产生电路中f=1/(2RC),改变RC的值可以改变电路的信号频率,在电压比较器中,改变参考电压UREF的值可以改变方
11、波的比例。2.5实验数据正弦波,三角波,方波图2.8三、总结 第一次自己动手查电路实验资料、设计电路、仿真等过程,总体下来收获很大。在调试电路时,总是很难找到合适的参数。但每当电路有一点反应时,的心情都很激动,再努力一点点就可以成功,所以在不断的查阅书籍和资料,学习别人的案例,最后将电路设计成功! 当看到课程设计题目时感觉很茫然,什么不知道,不知道从何下入手,只有要求,好像特别难。先画出大概的电路图,之后又在Multisim上仿真。不断调试,也在网上找Multisim的使用方法。使用Multisim对其进行仿真,无需将电路事物图做出来。用Multisim10对电路进行仿很方便,而且安全,对电路的修改很方便。 本次设计中采用电路模块化理念,将本来非常复杂的电路分解成一个个简单的单元电路,然后设计单元电路。最后将每个单元电路连接起来便成了一个复杂的,具有特定功能的电路。 本次模拟电路课程设计中遇到了很多困难,但在老师和同学的帮助下、在自己的努力下,还是将问题一个一个的解决了。总的来说收获最大的就是学会了设计电路的multisim软件,还有分析问题解决问题的思想。14
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