多功能锯齿波发生器的设计

课程设计说明书课程名称：模拟电子技术课程设计

题目：多功能锯齿波发生器的设计

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多功能锯齿波发生器的设计

一、设计任务与要求

(1)在控制开关的作用下，能实现单周期扫描、间歇扫描、连续扫描和停止扫描控制功能

(2)具有输出幅度调节、直流偏置调节和扫描周期调节功能；

(3) 输出幅度在正负10V 范围内可调．线性度优于0.01％。

（4）运用集成运算放大器为主要器件。

二、方案设计与论证

锯齿波发生器是运用相关器件组合而产生的电路，其中一个非常重要的部件就是集成运算放大器，以及由集成运算放大器组成的滞回比较器、积分器。用集成运放实现的电路结构简单，调整方便。如果在三角波发生电路中,有意识地使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊,则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号。要实现幅度可调,则需将控制输出电压幅度的相应参数设置成可调参数即可。

器件与单元电路的介绍：集成运算放大器，滞回比较器，积分电路，反向比例运算电路，555定时器。

三、单元电路设计与参数计算

1.工作原理

假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。由于A 1同相输入端的电压U +同时与U o1和U o 有关，根据叠加原理，可得：

o 2

121o 211U R R R U R R R U ++++＝ （7） 则此时U +也为高电平。但当z 1o U U +＝时，积分电路的输出电压U o 将随着时间往负方向线性增长，U +随之减小，当减小至0==-+U U 时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使z 1o U U -＝，同时U+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向线性增长，U +也随之增大，当增大至0==-+U U 时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使z 1o U U +＝,同时U +也跳变为一个正值。然后重

复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压1o U 为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo 为锯齿波。如图2所示：

图2 锯齿波发生电路的波形图

由上图可知，当1o U 发生跳变时，锯齿波输出U o 达到最大值U om ，而1o U 发生跳变的条件是：

0==-+U U ，将条件z 1o U U -＝，0=+U 代入（7）式，可得：

m o 2

12z 211U R R R U -R R R 0+++）（＝ （8） 由此可解得锯齿波输出的幅度为：z 2

1om U R R U ＝ (9) 要使得幅度可调，由（9）式可知，改变参数1R 即可，所以实际电路中1R 采用滑动变阻器；调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度。从而满足设计要求。

2.各个部分组成电路及元件

集成运算放大器

图3是集成运放的符号图，1、2端是信号输入端，3、4是工作电压端，5是输出端，在实际中还有调零端，频率补偿端和偏置端等辅助端。集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端以及一个输出端。图中标有“+”号的是同相输入端，标有“—”号的是反相输入端，当信号从同相端输入时，输出信号和输入信号同相，反之则反相。当集成运放工作在线性区时，它的输入信号电压和输出信号电压的关系是：

od

o n p A U U U =- （1） 式中od A 是运放器的放大倍数，od A 是非常大的，可达几十万倍，这是运算放大器和差分放大器的区别，而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高，一般达几百千欧到几兆欧，因此在实际应用中，常常把集成运放器看成是一

个“理想运算放大器”。

理想运算放大器的两个重要指标为：

（1）差模输入阻抗为∞；

（2）开环差模电压增益Aod 为∞。

根据这两项指标可知，当理想运算放大器工作在线性区时，因为其输入阻抗为∞，因此在其两个输入端均没有电流，即在图1中021==I I ，如同两点被断开一样，这种现象称为“虚断”。

又因为∞=od A ，根据输入和输出端的关系：od o n p A U U U =-，所以认为运放的同相输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。这种现象成为“虚短”。

“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论，常常作为分析许多运放电路的出发点。当理想运放工作在非线性区时，则“虚短”现象不复存在。

图3集成运算放大器 滞回比较器

滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图2所示。

图4 滞回比较器电路原理图

输入电压U i 经电阻2R 加在集成运放的反相输入端，参考电压U ref 经电阻1R 接在同相输入端，此外从输出端通过电阻R f 引回同相输入端。电阻3R 和背靠背稳压管VD z 的作用是限幅，将输出电压的幅度限制在±U z 。

在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即+-=U U 时，输出端的状态将发生跳变。其中U +则由参考电压U ref 及输出电压U o 二者共同决定，而U o 有两种可能的状态：+U z 或－U z 。由此可见，这种比较器有两个不同

的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图3所示。

图5 滞回比较器的传输特性

下面对此电路进行定性的分析：

利用叠加原理可求得同相输入端的电位为： o f

22ref f 2f U R R R U R R R U ++++＝ （2） 若原先U o =+U z ,当U i 逐渐增大时，使U o 从+U z 跳变为—U z 所需的门限电平用U T ＋表示，由上式可知：

z f

22ref f 2f T U R R R U R R R U ++++＝ （3） 若原先U o =－U z ，当U i 逐渐减小，使U o 从—U z 跳变为+U z 所需的门限电平用U T －表示，则：

z f

22ref f 2f T U R R R U R R R U +-+-＝ （4） 上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号T U ∆表示，由以上两式可求得：

z f

22T T T U R R 2R U U U +∆-+＝－＝ （5） 由此可见，门限宽度T U ∆的值取决于稳压管的稳定电压U z 以及电阻2R 和f R 的值，但与参考电压U ref 无关。也就是说，当U ref 增大或减小时，滞回比较器的

传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。说明滞回比较器的抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平U T ＋和U T —的值，就可以避免比较器

的输出电压在高低电平间反复跳变。