多种波形发生器的设计与制作

课题三 多种波形发生器的设计与制作

方波、三角波、脉冲波、锯齿波等非正弦电振荡信号是仪器仪表、电子测量中最常用的波形，产生这些波形的方法较多。本课题要求设计的多种波形发生器是一种环形的波形发生器，方波、三角波、脉冲波、锯齿波互相依存。电路中应用到模拟电路中的积分电路、过零比较器、直流电平移位电路和锯齿波发生器等典型电路。通过对本课题的设计与制作，可进一步熟悉集成运算放大器的应用及电路的调试方法，提高对电子技术的开发应用能力。

1、 设计任务

设计并制作一个环形的多种波形发生器，能同时产生方波、三角波、脉冲波和锯齿波，它们的时序关系及幅值要求如图3-3-1所示。

图3-3-1 波形图

设计要求：

⑴ 四种波形的周期及时序关系满足图3-3-1的要求，周期误差不超过%1±。 ⑵ 四种波形的幅值要求如图3-3-1所示，幅值误差不超过%10±。 ⑶ 只允许采用通用器件，如集成运放，选用F741。

要求完成单元电路的选择及参数设计，系统调试方案的选取及综合调试。

2、设计方案的选择

由给定的四种波形的时序关系看：方波决定三角波，三角波决定脉冲波，脉冲波决定锯齿波，而锯齿波又决定方波。属于环形多种波形发生器，原理框图可用3-3-2表示。

图3-3-2 多种波形发生器的方框图

仔细研究时序图可以看出，方波的电平突变发生在锯齿波过零时刻，当锯齿波的正程过零时，方波由高电平跳变为低电平，故方波发生电路可由锯齿波经一个反相型过零比较器来实现。三角波可由方波通过积分电路来实现，选用一个积分电路来完成。图中的u B电平显然上移了+1V，故在积分电路之后应接一个直流电平移位电路，才能获得符合要求的u B波形。脉冲波的电平突变发生在三角波u B的过零时刻，三角波由高电平下降至零电位时，脉冲波由高电平实跳为低电平，故可用一个同相型过零比较器来实现。锯齿波波形仍是脉冲波波形对时间的积分，只不过正程和逆程积分时常数不同，可利用二极管作为开关，组成一个锯齿波发生电路。由上，可进一步将图3-3-2的方框图进一步具体化，如图3-3-3所示。

图3-3-3 多种波形发生器实际框图

器件选择，设计要求中规定只能选用通用器件，由于波形均有正、负电平，应选择由正、负电源供电的集成运放来完成，考虑到重复频率为100Hz(10ms),故选用通用型运放F741（F007）或四运放F324均可满足要求。本设计选用F741。其管脚排列及功能见附录三之三。

3、 单元电路参数设计

（1）方波产生电路—反相型过零比较器

选择电路如图3-3-4所示。图中，A 1工作于开环，R 1为运放输入端保护电阻取R 1=10K Ω，R 2为稳压二极管的限流电阻，取值一般在（1—3）K Ω之间，取R 2=1K Ω。

因U A 幅值为±5V ，故输出端接两只稳压二极管使输出高、低电平在±5V 左右，查晶体管手册，选用稳压二极管为2CW53（UZ=4.0~5.8V ）两只。必要时可通过晶体管图示仪进行挑选，以满足幅值要求。

图3-3-4 反相型过零比较器电路

（2）三角波产生电路—基本积分电路

选择电路如图3-3-5所示，图中与C 1并联的1M Ω电阻主要是为了减小积分漂移，取值应大于R 3。

图3-3-5 积分电路

由波形图知，当u A 为高电平5V ，经过积分电路在5ms 时间内，B u 应下降4V ，故参数计算如下：

由积分电路知：

131C R *UA*2T

=U′Bm , 即 1

31

C R ⨯5⨯0.005=4 w 得 R 3C 1=6.25⨯103-s 取C 1=0.1uF , 则 R 3=62500Ω 取R 3=62K Ω，R 4=R 3=62 K Ω U′B 的波形如图3-3-6。

图3-3-6 积分电路输出波形图

（3）直流电平移位电路

将图3-3-6的U′B波形与图3-3-1的U B波形比较，为了得到U B的波形，必须将U′B波形上移3V，由直流电平移位电路来实现，如图3-3-7所示。

图3-3-7 直流电平移位电路

若取R5=10KΩ, R p1=10KΩ时，A3的③脚为零电平，调R p1活动端使R P1减小，电平上升。由于C2的隔直作用，只需将③脚电平设置在+1V，与U′B叠加。A3为电压跟随器，U B与③脚波形相同。

由上，取R5=10KΩ，R P1为10KΩ电位器，C1取10uF。

（4）脉冲波电路设计—同相型过零比较器

选择电路如图3-3-8所示。图中，取R6=10KΩ，R7=1KΩ，当u B>0V,A4的⑥脚输出高电平，D1、D2导通并钳位，若取两只硅二极管串取，可得u C=1.4V。若U B<0,⑥脚输出低电平接近-V cc，D1、D2截止，稳压管稳压为-5V。取稳压管为2CW53、二极管为2CP10。

图3-3-8 脉冲波形成电路

（5）锯齿波发生器—积分电路

由上所述，由于u D 的正程和逆程斜率不同，即积分电路充、放电时常数不等。故对u C

为高、低不同电平时，采用二极管隔离输入回路。如图3-3-9所示。

图3-3-9 锯齿波发生电路

工作原理如下：

当u C =1.4V>0时，D 3导通，D 4截止，忽略二极管导通时的动态电阻，积分时常数为τ=R 8C 3，形成锯齿波的逆程。

当u C =-5V<0时，D 3截止，D 4导通。积分常数≈'τR 9C 3，形成锯齿波的逆程。 电路参数计算：

首先要算出脉冲波高电平和低电平的时间轴，由图3-3-1，u B 由3V 下降至0V 的时间为u C 高电平的半个周期。这时锯齿波u D 由0V 积分到-3V ，若此时为t1,由相似三角形知识可以算得t 1=3.75ms ，同样可以算得u C 由低电平变为高电平的时间t 2为6.25ms,u C 再次变为低电平时间为13.75ms,如图3-3-10所示。

图3-3-10 U C 时序图

取C3=1uF ，则锯齿波正程有：

391C R C U （6.25–3.75）⨯103-=6 即 6

10

11

-⨯⨯P R ⨯5⨯2.5⨯103-=6 由上及 R 9=20.83⨯10Ω3

取R 9=20K Ω 锯齿波逆程：

⨯381C R UC （13.75–6.25）⨯103-=6 即36

8105.74.110

11

--⨯⨯⨯⨯⨯R =6 得R 8=17.5×10Ω3

取R 8=18K Ω

由于同时只有一个电阻导通，故 R 10=18K Ω（或20K Ω）

，为了减小二极管死区电压，