模电课程设计—设计制作一频率可调的多波形信号发生器

目录1题目分析 (2)1.1设计任务 (2)1.2设计目的 (2)1.3课程设计要求 (2)2 方案论证 (3)2.1 整体思路 (3)2.2 方案论述 (3)3 方案选择 (5)4 硬件设计及原理分析 (6)5 性能测试 (15)6小结与体会 (16)7 元件清单 (17)8 参考文献 (18)1题目分析1.1设计任务设计制作一频率可调的多波形信号发生器1.2设计目的1 培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。

2 培养学生综合运用所学知识分析和解决工程实际问题的能力。

3 通过课程设计，使学生在理论计算、结构设计、工程绘图、查阅设计资料、标准与规范的运用和计算机应用方面的能力得到训练和提高。

1.3课程设计要求1 输出电压VO及最大输出电流IOmax(I档:VO=±12V对称输出,IOmax=100mA;II档:VO=(+3~+9)V连续可调,IOmax=200mA);纹波电压VOP-P≤5mV,稳压系数SV≤5×10-3.2 选择电路方案，完成对确定方案电路的设计。

计算电路元件参数与元件选择、并画出总体电路原理图，阐述基本原理。

（选做：用PSPICE或EWB软件完成仿真）3 安装调试并按规定格式写出课程设计报告书。

2 方案论证2.1整体思路为了完成上面所设计的全部指标整机电路分四个部分：电源变压器、整流二极管、滤波电容、集成稳压器220V交流电压变压器整流桥滤波电容集成直流稳压器电源变压器: 将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。

整流电路: 将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。

滤波电路: 将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4稳压电路: 清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压uo的稳定。

2.2方案论述方案一：整流部分采用一个二极管,利用二极管的单向导电性将交流转化为直流,滤波部分采用电感滤波电路,在整流电路后串入一个电感器,稳压部分,第一档采用由CW7812和CW7912构成的正负12V对称双电源电路,第二档由CW7805组成电路输出正5V直流稳压,第三档由CW7805和电压跟随器组成的输出电压可调稳压电路构成输出3到9伏电压。

方案二：整流部分采用单相桥式整流电路,同样是利用了二极管的单向导电性,将交流转化为直流,滤波部分采用电容滤波电路,在整流电路后并入一个电容,稳压部分,第一档和第二档同方案一,第三档采用可调式三端集成稳压器CW317构成的电路输出3到9伏电压。

3 方案选择整流部分采用一个二极管时由于在交流电压一个周期内只有半个周期电压通过二极管,使得交流电压利用率较低,而采用单相桥式整流电路时则不会有这个问题,故宜采用单相桥式整流电路。

滤波部分,采用电感滤波,整流管导电角较大,无峰值电流,输出特性较平坦,一般只适用于低电压大电流场合;采用电容滤波,由于其输出特性较差,适用于负载电压较高,负载变动不大的场合,但若采用电感滤波,由于铁芯的存在,电路显得笨重体积大,而且易引起电磁干扰,而电容滤波电路就比较简单了,因此采用电容滤波。

稳压部分,由于接有电压跟随器时电路比较复杂,而且电压跟随器成本比较高,不经济,故采用可调式三端集成稳压器CW317构成的电路。

4 硬件设计及原理分析电源部分：由变压器将220V交流电压转化为合适大小的交流电压,原理如图所示:输入电压的波形经变压器降压后的电压波形整流部分:整流电路的任务：把交流电压转变为直流脉动的电压。

常见的小功率整流电路，有单相半波、全波、桥式和倍压整流等。

单相半波整流电路:单相半波整流电路如图所示。

它是最简单的整流电路，由整流变压器、整流二极管D 及负载电阻RL组成。

其中u1、u2分别为整流变压器的原边和副边交流电压。

在负载电阻RL得到的是如图所示的单向脉动电压负载上电压平均值和电流平均值:整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压:2220.452O DO L L DRM M U U I I R R U U U =====单相桥式整流电路:单相桥式整流电路是由四个整流二极管接成电桥的形式构成的，如图(a)所示。

图 (b)所示为单相桥式整流电路的一种简便画法。

无论电压u2是在正半周还是在负半周，负载电阻RL 上都有相同方向的电流流过。

因此在负载电阻RL 得到的是单向脉动电压和电流，忽略二极管导通时的正向压降，则单相桥式整流电路的波形如图所示。

（a ）单相桥式整流电路；(b)单相桥式整流电路的简化画法2022212sin()()220.450.45O O O L LU U t d t U U U U I R R πωωππ=====⎰参数计算(1)负载上电压平均值和电流平均值。

22221222sin()()0.90.9O O O L LU U t d t U U U UI R R πωωππ=====⎰(2)整流二极管的电流平均值和承受的最高反向电压。

22210.4522DOLDRMMU I I R U U U ====（3）整流变压器副边电压有效值和电流有效值。

2222 1.10.91.1 1.1OOOL LU U U U U I U R R =====半波整流电路的输出电压相对较低，且脉动大。

两管全波整流电路则需要变压器的副边绕组具有中心抽头，且两个整流二极管承受的最高反向电压相对较大，所以这两种电路应用较少。

桥式整流电路的优点是输出电压高，电压脉动较小，整流二极管所承受的最高反向电压较低，同时因整流变压器在正负半周内部有电流供给负载，整流变压器得到了充分的利用，效率较高。

因此本电路采用桥式整流电路。

滤波部分：滤波电路利用电容或电感在电路中的储能作用，当电源电压(或电流)增加时，电容(或电感)把能量储存在电场(或磁场)个；当电源电压(或电流)减小时，又将储存的能量逐渐释放出来，从而减小了输以电压(或电流)中的脉动成分．得到比较平滑的直流电压。

实用滤波电路的形式很多，如电容滤波、电感滤波、复式滤波电路(包括倒L 型、Rc —π型、LC —π型滤波)等。

电容滤波电路电容通过RL 放电，在整流电路电压小于电容电压时，二极管截止，整流电路不为电容充电，uo会逐渐下降。

只有整流电路输出电压大于uo 时，才有充电电流iD 。

因此整流电路的输出电流是脉冲波。

电容滤波电路的特点：(1) 输出电压Uo 与放电时间常数RLC 有关。

RLC 愈大→ 电容器放电愈慢 → Uo(平均值)愈大 近似估算:Uo=1.2U2。

RLC 越大 → Uo 越高 →负载电流的平均值越大 ; 整流管导电时间越短 → iD 的峰值电流越大2) 流过二极管瞬时电流很大。

故一般选管时，取LoL DFR U ~I ~I 21)32(2)32(==(3) 输出特性(外特性)，输出波形随RL 或 C 的变化而改变, Uo 和S 也随之改变。

结论：电容滤波电路适用于输出电压较高，负载电流较小且负载变动不大的场合。

稳压部分：三端集成稳压器的内部原理框图如图4—21所示。

可见它也是采用了串联式稳压电源的电路，并增加了启动电路和保护电路，使用时更加可靠。

为了使集成稳压器长期正常地工作，应保证其良好地散热条件，金属壳封装的一般输出电流比较大，使用时要加上足够面积的散片。

集成稳压器的主要参数有：（1）最大输入电压Uimax，当整流滤波电路输出电压超过Uimax时，可能使稳压器的输出电压不能稳定在额定值。

（2）输出电压UO，三端集成稳压器分为固定正输出和固定负输出两类。

（3）最大输出电流I0max，不同型号的三端集成稳压器Iomax为0.2～2A。

第一档输出正负电压电路如图：第二档输出正5V电压电路如图：第三档可调式集成稳压电路如图：U O=1.2～37V连续可调。

I OM=1.5A，I Omin≥5mA.CW317的U REF固定在1.2V，I ADJ=50 A，忽略不计。

U O=1.2（1+R2/R1）V 。

可调式三端稳压器输出连续可调的直流电压。

常见产品有CW317、CW337、LM317、LM337。

317系列稳压器输出连续可调的正电压，337系列稳压器输出连续可调的负电压，可调范围为1.2～37V，最大输出电流I0max为1.5A。

稳压器内部含有过流、过热保护电路，具有安全可靠、应用方便、性能优良等特点。

CW317与CW337系列的引脚功能相同。

单元电路的设计、元器件的选择及其参数值①选集成稳压器，确定电路形式选可调式三端稳压器LM317，其特性参数V0=+1.2V～+37V,I0max=1.5A,最小输入输出压降（Vi-V0）min=3V,最大输入输出压降（Vi-V0）max=40V,均满足性能要求其接法如下：1，2脚之间为1.25V电压基准。

为保证稳压器的输出性能，R1应小于240欧姆。

改变Rp阻值即可调整稳压电压值。

Ci用来实现频率补偿，防止稳压器产生高频自激高频震荡和抑制电路引入的高频干扰，输出电容Ci是电解电容，以减少稳压电源输入端由输入电源引入的低频干扰，D用于保护LM317。

组成的稳压电源电路如下图所示。

取R1=240Ω，由式V0=1.25*（1+RP1/R1）可得RP1min=336Ω,RP1max=1.49kΩ，故取RP1为4.7kΩ的精密线绕可调电位器。

②选电源变压器通常根据变压器的副边输出功率P2来选择（或自绕）变压器。

V0max+(Vi-V0)min≤Vi≤V0min+(Vi-V0)max9V+3V≤Vi≤3V+40V12V≤Vi≤43V。

副边电压V2≥V1/1.1取V2≥12/1.1=11V。

副边电流I2≥I0max=0.2A，取I2=0.4A，变压器副边输出功率P2≥I2U2=4.4W。

变压器的效率η=0.7，则原边输入功率P1≥P2/η=6.3W。

由上分析，副边输出电压为12V，输出电流为0.4A，为留有余地，一般选择功率为10W的变压器。

③选整流二极管及滤波电容整流二极管选1N4001，其极限参数为URM≥50V，而√2U2=15.4V，则URM满足要求。

IF=1A，而I0max=0.8A，则IF亦满足要求。

滤波电容C可由纹波电压△V0p-p和稳压系数Sv来确定。

已知V0=9V，Vi=12V,△V0p-p=5mV,Sv=0.005,则△Vi=△V0p-p*Vi/(V0*Sv)=1.3V,则C=Ict/△Vi=1500μF。

电容C的耐压应大于√2U2=15.4V。

故取一只1500μF/25V的电容相并联。

电路总图为：5性能测试稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，包括允许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整率）、输出电阻（或电流调整率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。