设计制作一个产生正弦波方波三角波函数转换器

设计制作一个产生正弦波方波三角波函数转换器Document number【980KGB-6898YT-769T8CB-246UT-18GG08】模拟电路课程设计报告设计课题:设计制作一个产生正弦波\方波\三角波函数转换器专业班级：电信本学生姓名：学号：47指导教师：设计时间： 1月7日设计制作一个产生正弦波－方波－三角波函数转换器一、设计任务与要求1.输出波形频率范围为~20kHz 且连续可调；2.正弦波幅值为±2V ，；3.方波幅值为2V ；4.三角波峰-峰值为2V ，占空比可调；5.分别用三个发光二极管显示三种波形输出；??6.用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V ）。

二、方案设计与论证设计要求为实现正弦波-方波-锯齿波之间的转换。

正弦波可以通过RC 振荡电路产生。

正弦波通过滞回比较器可以转换成方波，方波通过一个积分电路可以转换成三角波，三角波的占空比只要求可调即可。

各个芯片的电源可用±12V 直流电源提供，并备用了两套方案设计。

方案一:方案一电路方框图如图1所示。

图1 方案一方框图LC 正弦波振荡电路与RC 桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相似的，只是选频网络采用LC 电路。

在LC 振荡电路中，当f=f 0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大 电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。

方案二:方案二电路方框图如图2所示。

滞回比较器积分电路RC 正弦波振荡电路积分电路图2 方案二方框图方案二仿真电路如图3所示。

图3 方案二仿真电路图方案论证：LC正弦波振荡电路特别是方案一所采取的电感反馈式振荡电路中N1与N2之间耦合紧密，振幅大；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高频率可达几十兆赫兹。

由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波形中常含有高次谐波。

因此，电感反馈式振荡电路常用在对波形要求不高的设备之中，如高频加热器、接受机的本机振荡电路等。

另外由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。

因此对于器材的选择及焊接的要求提高，并且器材总价格也增加了。

相反，RC正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般在1MHz以下，它是以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小等优点，因此获得相当广泛的应)1j()1(1j 11j 1j 1122112212211222212f C R C R C C R R C R C R C R R U U F ωωωωω-+++=++++=Z +Z Z == 用。

另外对于器材的要求也不高，只需集成块、电容、电位器等组成即可。

在焊接方面，直接、美观、大方！在器材总价格方面，相比第一种方案更为实惠。

综合对比两种方案，我选择第二种方案。

三、单元电路设计与参数计算 （一）单元电路设计1.正弦波发生器实验原理 （1）RC 串并联选频网络。

取 R 1 = R 2 = R ， C 1 = C 2 = C ，令 则： 得 RC 串并联电路的幅频特性为： 相频特性为：最大，F = 0。

（2）振荡频率与起振条件 1）振荡频率 2）起振条件当f = f0 时， 由振荡条件知：所以起振条件为： 同相比例运放的电压放大倍数为： 即要求： RC 10=ωRC f π210=)j(3100ωωωω-+=F 2002)(31ωωωω-+=F 3arctg 00F ωωωωϕ--=时，当RC10==ωω31=F RCf π210=31=F 1>F A 3>AR R A u '+=Ff1R R '>2F3）稳幅环节：反馈电阻的热敏R F 采用负温度系数电阻，R1采用正温系数的热敏电阻，均可实现自动稳幅。

或者在R F 回路中串联二个并联的二极管也可以自动稳幅。

正弦波发生器仿真电路图4所示。

图4正弦波发生器仿真电路图2.正弦波—方波转换器实验原理 正弦波—方波转换器方框图如图5所示。

图5 正弦波—方波转换器方框图 （1）电路组成：1）滞回比较器：集成运方、R11、R8.图6为一种电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R 3起限流作用，R 2和R 1构成正反馈，运算放大器当u p >u n 时工作在正饱和区，而当u n >u p 时工作在负饱和区。

从电路结构可知，当输入电压u i 小于某一负值电压时，输出电压u o = -U Z ；当滞回比较器 方波正弦波发生电路输入电压u i 大于某一电压时，u o = +U Z 。

又由于“虚断”、“虚短”u p =u n =0，由此可确定出翻转时的输入电压。

u p 用u i 和u o 表示，有21o 1i221o2i 1p 1111R R u R u R R R u R u R u ++=++==u n =0 得此时的输入电压th Z 21o 21i U U R Ru R R u m m ==-= U th 称为阈值电压。

滞回电压比较器的直流传递特性如图7所示。

设输入电压初始值小于-U th ，此时u o = -U Z ；增大u i ，当u i =U th 时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。

如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小u i ，当u i = -U th 时，运放则开始进入负饱和区。

图6电压比较器电路 图7 滞回电压比较器的直流传递特性（2）正弦波—方波转换仿真电路图正弦波—方波转换仿真电路如图8所示。

图8 正弦波—方波转换仿真电路图3.方波—三角波转换器实验原理方波—三角波转换器方框图如图9所示。

图9 方波—三角波转换器方框图（1）积分运算电路如图10所示。

图10积分运算电路由于“虚地”，U-=0, 故：Uo=-Uc由于“虚断”，i1=iC, 故：Ui=i1R=icR方波发生电路积分电路三角波得：⎰⎰-=-=-=t u RC t i C u u C C d 1d 1I O ；τ = RC （积分时间常数）由上式可知，利用积分电路可以实现方波——三角波的波形变换。

（2）正、反向积分时间常数可调电路正、反向积分时间常数可调电路如图11所示。

图11 正、反向积分时间常数可调电路4.直流电源电路原理直流电源电路方框图如图12所示。

图12 直流电源电路方框图（1）整流电路：将交流变直流的过程。

设变压器副边电压U2=wt U sin 22, U 2为其有效值。

则：输出电压的平均值 )(sin 2120)(wt wtd U U AV O ⎰=ππ29.0U ≈输出电流的平均值I O(AV)=R L 脉动系数电源变压器整流电路滤波电路稳压电路S=)(1AV O MO U U = 2/3= 二极管的选择 最大镇流电流I F >LR U π22 最高反向工作电压 U RM >22U（2）滤波电路：将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。

按照三角形相似关系可得：U O(AV)=2U 2(1-T/4R L C) 当R L C=(3~5)T/2时，U O(AV) = 脉动系数为S=TC R TL -4（3）稳压电路：把电压幅值稳定的电路。

在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R 上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。

限流电阻R 是必不可少的元件，它既限制稳压管中的电流使其正常工作，又与稳压管相配合以达到稳压的目的。

一般情况下，在电路中如果有稳压管存在，就必然有与之匹配的限流电阻。

1）稳压电路输入电压U I 的选择： 根据经验，一般选取U I =(2~3)U OU I确定后，就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。

2）稳压管的选择：U Z =U O ;I Zmax -I Zmin >I Lmax -I Lmin ; 稳压管最大稳定电流 I ZM >=I Lmax +I Lmin3）限流电阻R 的选择：通过查手册可知：I ZMIN <=I DZ <=I ZMAX ; 计算可知:max R =（U Imin -U Z )/(I Z +I Lmax ） R min =(U Imax -U Z )/(I ZM +I Lmin )本实验采用集成稳压器电路，其包括调整管、保护电路、比较放大电路、基准电压电路、采样电路、电流源电路。

4）直流电源电路仿真电路图如图13所示。

图13 直流电源电路仿真电路图（二）参数计算 1.直流电源的参数设计提供的是220V 的交流电源要变为正负12V 直流电， 变压器用 220V~15V 规格的，由于整流电路中用的二极管最大镇流电流I F >LR U 22，最高反向工作电压U RM >=22U ,因此选用二极管型号为1N4007即可。

滤波电路中R L C=(3~5)T/2时滤波效果好，因此大电容可选用耐压值为35V ，3300uf 的电容两个。

稳压管稳压电路中选的三端稳压器为：LM7812、LM7912，这样可以稳定输出电压为正负12V 。

另外加上一些滤波电容，即：C 3=C 4=220uf,C 5=C 6=220nf,C 7=C 8=100nf.为了显示输出电压“与否”，两边可分别用二极管串联一个1K 的电阻来显示。

正弦波振荡电路的参数设计根据设计要求输出波形频率范围为~20kHz 且连续可调，正弦波幅值为±2V ，f0=1/(2ПRC)，由于器材的原因，取C=220nf,则R=1/2Пf0C,解之可得，R 的取值范围~，因此RC 选频网络用两个5K 电位器和两个220nf 的电容组成串并联网络。

对于电压幅值2V ，可以通过R 310K 的电位器和R 110K 的电阻调节而得到。

3.方波电路的参数设计根据设计要求方波幅值为2V ，因此选择的稳压二极管可选用稳压为的，共两个。

3.三角波电路的参数设计由于是方波—三角波转换电路，因此在第二个集成块的输出端加上个限流阻R5=2K,根据设计要求锯齿波的峰—峰值为2V ，且占空比可调。

Uo=-R8C1Uz(t1-t0)+U O (t0) 当Uo=R9)C R81+（Uz(t2-t1)+U O (t1)T=R6R9)C2R82R5+（ ,取R9、R5为10K 的电位器，R8为50K 电位器。

解之可得：R6=282/T=282f=~，因此取R6=10K ，积分电路中C=220nf,改变占空比的二极管可选用2个1N4007,补偿电阻R12可选取10K ，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。

四、总原理图及元器件清单 1.总原理图直流电源原理图如图14所示。