模电课程设计(波形发生器)

课程设计
课程名称模拟电子技术基础课程设计题目名称波形发生电路_
学生学院物理与光电工程学院
专业班级电子科学与技术（5）班学号
学生
指导教师
2013-12-10
一、题目：波形发生电路
二、设计任务与技术指标
要求：设计并制作用分立元件和集成运算放大器组成的能产生正弦波、方波和三角波的波形发生器。

基本指标：1、输出的各种波形基本不失真；
2、频率围为50H Z～20KH Z，连续可调；
3、方波和正弦波的电压峰峰值V PP>10V，三角波的V PP>20V。

三、电路设计及其原理
1）方案的提出
方案一①用RC桥式振荡器产生正弦波。

②正弦波经过一个过零比较器产生方波。

③方波通过积分运算产生三角波。

方案二①由滞回比较器和积分运算构成方波和三角波发生电路。

（如图1所示）②再由低通滤波把三角波转成正弦波。

方案三①由滞回比较器和积分运算构成方波和三角波发生电路。

（同方案二）②利用折线法把三角波转换成正弦波。

（如图2所示）
图1 图3
图2
2）方案的比较
方案一中以RC 串并联网络为选频网络和正反馈网络、并引入电压串联负反馈，从而产生正弦波。

为了稳定正弦波幅值，一般要在反馈电阻一边串联一对反向的并联二极管，但这样会使正弦波出现交越失真。

R1/R2=2时，起振很慢；R1/R2>2时，正弦波会顶部失真。

调试困难。

还有，RC 桥式振荡器对同轴电位
器的精确度要求较高，否则，正弦波很容易失真。

方案二的低通滤波产生正弦波适宜在三角波频率固定或变化小时使用，而本次课程设计要求频率50Hz-20KHz，显然不适合。

方案三滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，这样就形成方波发生器和三角波发生器。

滞回比较器输出的方波经积分产生三角波，三角波又触发比较器自动翻转成方波。

另外，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似与正弦波的折线化波形。

而且折线法不受频率围的限制，便于集成化。

虽然反馈网络中电阻的匹配困难，但可以通过理论计算出每个电阻阻值后再调试。

这样可以省下很多功夫。

综合以上三种方案的优缺点，最终选择方案三来完成本次课程设计。

3）单元电路设计
方波---三角波产生电路
A1
A2
Uz
此电路同相输入滞回比较器和RC积分运算电路组成。

RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。

滞回比较器的输出电压，它的输入电压是积分电路的输出电压，根据叠加原理，运放A1同相输入端电位：
，令，则阈值电压：
积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压，而且不是+，就是-，所以输出电压表达式为
，
式中为初态的输出电压。

设初态时正好从跃变为+，积分电路反向积分，随时间的增长线性下降，一旦，再稍减小，将从+跃变为。

这时，积分电路正向积分，随时间的增长线性增大，一旦，再稍增大，将从跃变为，回到初态，积分电路又开始反向积分。

电路周而复始，因此产生自激振荡。

正向积分的起始值为，终了值为，积分时间为二分之一周期，所以有：
式中，经整理可得出振荡周期
振荡频率
确定和的阻值，可确定三角波的幅值。

调节的阻值，可以改变电路的振荡频率。

三角波经折线法产生正弦波
折线法是用多段直线逼近正弦波的一种方法。

其基本思路是将三角波分成若干段，分别按不同比例衰减，所获得的波形就近似为正弦波。

上图画出了波形的1/4周期，用四段折线逼近正弦波的情况。

根据上述思路，可以采用增益自动调节的运算电路实现。

利用二极管开关和电阻构成反馈通路，随着输入电压的数值不同而改变电路的增益。

增益的大小可以通过调试电阻的阻值来确定，这样就可以产生基本不失真的正弦波。

折线法是用多段直线逼近正弦波的一种方法。

其基本思路是将三角波分成若干段，分别按不同比例衰减，所获得的波形就近似为正弦波。

上图画出了波形的1/4周期，用四段折线逼近正弦波的情况。

根据上述思路，可以采用增益自动调
节的运算电路实现。

利用二极管开关和电阻构成反馈通路，随着输入电压的数值不同而改变电路的增益。

增益的大小可以通过调试电阻的阻值来确定，这样就可以产生基本不失真的正弦波。

4）元件选择：
①选择集成运算放大器
由于方波前后沿与用作开关的器件的转换速率SR有关，因此当输出方波的重复频率较高时，集成运算放大器应选用高速运算放大器，即转换速率SR高的运算放大器。

经过芯片资料的查询，TL084四运算放大转换速率SR=13V/us。

符合方波产生电路。

②电阻为1/4W的金属薄膜电阻。

③电容为普通瓷片电容。

④选择稳压二极管
稳压二极管Dz的作用是限制和确定方波的幅度，因此要根据设计所要求的方波幅度来选稳压管电压Dz。

为了得到对称的方波输出，通常应选用高精度的稳压管。

四、电路调试过程与结果：
方波---三角波发生器中R3的阻值不要取0.5*R2，如果取0.5*R2，三角波很容易严重失真，因为TL084四运放的最大输出电压比电源电压小2V-3V,当把三角波放大为方波两倍时，三角波顶部和底部失真。

所以先把R2取大，再通过反向比例运算把三角波放大。

积分运算电路的电容取值不易过大或过小，0.1uF为好。

折线法中的反馈电阻调试比较困难。

经理论计算，,,,,；经过调试最终确定通过,,,,。

这样得出的正弦波基本不失真。

电位器R8（可调阻值围0-500KΩ）使得
三种波形频率连续可调。

通过实际电路测试，波形在50-20KHz频率围基本不失真。

当14V双电源供电时，经测试得：
163.93Hz时：
20KHz时：
该电路的Multisim仿真结果：
这个仿真效果很好，但与实际有较大的偏差，实际上，当频率较低时方波会有点偏斜，三角波的峰峰值也没有这么高。

误差分析：163.93Hz时：
方波的绝对误差：14.21-13.80=0.41；相对误差：0.41/13.80*100%=3.0%
三角波的绝对误差：21.10-20.29=0.81；相对误差：0.81/20.29*100%=4.0%
正弦波的绝对误差：14.20-13.33=0.87；相对误差：0.87/13.33*100%=6.5%
五、总结
优点：①设计作品输出波形基本不失真
②波形频率达到50Hz--20000Hz。

并且在50Hz--20000Hz的围连续可调。

③方波和正弦波峰峰值大于10V，三角波形峰峰值皆大于20V。

符合了
设计要求的全部指标。

④焊接板排版缜密，焊接没有跳线。

缺点：①方波在频率为20000Hz时峰峰值转换时差为2-4us。

导致方波出现了
失真，三角波顶部不尖。

②正弦波由折线法把三角波折线而来。

导致了其还存在一定的差别。

③双电源的直流稳定效果不是很好，且电源的值很难保持一致，这会导致波形的线性度较差。

针对3个缺点各自的改进方案：
缺点1：把方波产生电路的运算放大换成超高转速的集成运算放大器。

例如：LM318H
缺点2：本设计是由三段折线法把三角波转换成正弦波的。

为使产生
的折线化波形更加接近正弦波，可以用5段折线法或者6
段折线法。

缺点三：更换稳定性更高的高级恒流电源。

六、心得体会：
“失败乃成功之母”从一开始时的调试到最后完成课程设计。

我用面包板连接电路，重重复复拔插了很多次。

最后波形给我调试出来了。

在这过程中我明白了成功是建立在以前失败经验的基础上的，成功是由百分之九十九的汗水和百分之一的灵感构成的。

在失败面前不能低头，要迎难而上。

在这次设计过程中，我了解了很多运放的型号及弄懂一些参数的意义。

在使用运放是也很讲究，比如摆率的大小，增益带宽积的大小等会直接导致波形的线性度差。

所以，元件的选择很重要。

同时，这次模拟电子课程设计也让我认识到以前所学知识的不深入，基础不够扎实，以致于这次在设计电路图的时候，需要重复翻阅课本的知识。

我深深知道了知识连贯运用的重要性。

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资料 附录
方波---三角波---正弦波发生器总的电路图：。