波形发生器课程设计报告

课程设计报告书

波形发生器

学院电子与信息学院

专业班级

学生姓名

学生学号

指导教师

课程编号

课程学分1

起始日期2017

波形发生器

一、选题背景

波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、矩形波的函数波形发生器。

二、方案论证

1、设计题目要求

1.1、功能要求

同时三通道输出，采用正弦波、矩形波、三角波的级联结构；

电源由稳压电源供给；

1.2、指标要求：

输出电压要求正弦波Vp-p>10V、矩形波Vp-p>10V、三角波Vp-p>4V；

输出波形频率范围为100Hz—2kHz；

通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%；

矩形波占空比可调整，调整范围：10%～90%；

2、总体设计方案

2.1设计思路

根据模拟电子技术基础课程，可通过RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，通过比较器变换成矩形波，再通过积分电路变换成三角波；或者同过滞回比较器和RC电路组成的矩形波发生电路产生矩形波，通过积分电路变换成三角波，再用滤波法变换成正弦波。

2.2设计方案

满足上述设计功能可以实施的方案很多，现提出以下几种方案：

2．2．1方案一

①原理框图

图2.2.1方案一原理框图

②基本原理

通过RC桥式正弦波振荡电路，产生正弦波，改变电阻R和电容C的值实现频率可调；通过单限比较器，产生矩形波，接入参考电压，通过改变与参考电压串联电阻的阻值，实现占空比可调；通过积分电路，产生三角波。

2．2．2方案二

①原理框图

图2.2.2方案二原理框图

②基本原理

通过矩形波发生电路产生矩形波，改变阻值和电容实现频率可调，利用二极管的单向导电性可以引导电流流经不同的通路，改变电位器阻值实现占空比可调；通过积分电路产生三角波；通过低通滤波器产生正弦波。 2.3方案论证与比较

方案一中的RC 桥式正弦波振荡电路，因为两个电位器阻值须相等才能实现减少失真，所以改变频率时，两个电位器的改变量必须相等，增加了调节的难度；方案二的滤波法要求三角波为固定频率或者频率变化范围很小，而题目要求频率范围为100Hz —2kHz ，不符合要求；而若用折线法需要大量电阻与二极管，成本较高；综上所述，方案一在成本与指标实现上更具优势，所以采用方案一。

三、单元电路设计

3．1、RC 桥式正弦波振荡电路

3．1．1、RC 桥式正弦波振荡电路及其工作原理或功能说明

图3.1.1RC 桥式正弦波振荡电路

倘若存在频率f 0，是电路产生的附加相移为±π，而且1F A >•

•，则电路将产生

自激振荡。当趋近于3时，趋近于无穷大，表明电路即使在无输入的情况下，也会有频率为f 0的输出电压，即电路产生了自激振荡。因为电路仅对频率f 0的信号放大，而对其他频率的信号迅速衰减为零，所以输出频率为f 0的正弦波。 3．1．2、RC 桥式正弦波振荡电路元件的选取与计算

由于要求频率范围为100Hz —2kHz ，选取1kHz 为中心频率。 由于

得到

•A up •

A

uf

①

4

1059.121RC f -⨯==

π Hz 1000RC

21

f 0==

π②

为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻Ri 和输出电阻Ro 的影响，应使R 满足下列关系式：Ri>>R>>Ro ，一般Ri 约为几百千欧以上，Ro 仅为几百欧以上。故确定R=16K Ω，则C=10nF 。

RC 选频网络对于中心频率f 0的放大倍数为，而回路起振条件为1F A >••。故放大电路的电压放大倍数，即，取。而d 4f r R R +=其中，d r 为二极管的正向动态电阻。

为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路应该满足直流平衡条件，即：

综上所述：

由

Ω==K 16R //R R f 31

d 4f r R R +=

r d ≈5.1K Ω

得：R1=24k Ω Rf=48k Ω

R 4=42.9k Ω(经实验室实际调试，取41k Ω)

3．2、单限比较器电路

3．2．1、单限比较器电路及其工作原理或功能说明

图3.2.1单限比较器电路

根据叠加原理，集成运放反向输入端的电位

REF 6

55

I 656N U R R R u R R R u +++=

令0u u P N ==，则求出阈值电压

REF 6

5

T U R R U -

= 当T I U U <时，ＰＮ＜ＵU ，所以ＯＭＵ+='O U ，Z OH O U U u +==；当T I U U >时，

P N u u >，所以ＯＭＵ-='O U ，Z OL O U U u -==。

只要改变参考电压的大小和极性，以及电阻R5和R6的阻值，就可以改变阈值电压的大小和极性。 3．2．2、单限比较器电路元件的选取与计算

为了节省元件的使用，直接使用运放工作电源作参考电压电源；由于输入信号的频率与振幅都会影响R5、R6的取值，经试验R5取100K Ω的电位器，R6取200k Ω时满足占空比范围10%~90%的指标；R7作保护电阻，取2K Ω。

2R R 3

f ≥3R R R A 313=+=•

3

1

F =

•2R R 3f

=2R R 3

f

=③ ④ ⑤

⑦

⑥