正弦波方波三角波发生器设计说明

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1、设计的目的及任务1.1设计目的1 掌握电子系统设计的一般方法。2培养综合应用理论知识指导实践的能力3 掌握电子元件的识别和测试。4 了解电路调试的基本方法。1.2设计任务和要求1 设计一个能产生正弦波方波三角波的函数转换器。2 能同时输出一定频率一定幅度的 3种波形：正弦波、方波和三角波。3可以用土 12V或土 15V直流稳压电源供电。1.3课程设计的技术指标1输出波形频率围0.02hz20khz且能连续可调2 正弦波幅值为土 2V。3 方波幅值为2V。4 三角波峰峰值为2V且占空比可调。方案比较与论证2.1方案一方案一采用LC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路，构成正弦波 方波-三角波函数

2、转换器。LC正弦波振荡电路具有容易起振、振幅大、频率调节 围宽等特点，但是输出波形较差。图方案一原理框图2.2方案二方案二采用石英晶体正弦波振荡电路产生正弦波，石英晶体正弦波振荡电 路具有振荡频率稳定度高的优点，但其频率调节性能较差且受环境温度影响大。图2.2.1 方案二原理框图2.3方案三方案三首先用一个RC振荡电路产生正弦波，然后在用一个电压比较器产生 方波，最后在方波基础上利用积分电路产生三角波。电路框图如图 所示图2.3.1 方案三原理框图综上三种方案，方案一虽然对频率的调节性能好， 但输出波形较差；方案二 振荡频率稳定性好，但频率不易调节，且受环境影响大，对电子元件要求也较高； 方案

3、三能实现频率的连续可调，具有简单容易操作等优点，而且对电子元件的要 求也不高，都为常用元件。综上所述，方案三为最佳方案。三系统组成及工作原理3.1正弦波发生电路的工作原理产生正弦波的振荡条件所谓正弦振荡，是指在不加任何输入信号的情况下，由电路自身产生一定频 率、一定幅值的正弦波电压输出。图正弦波振荡电路的方框图正弦波振荡电路的方框图如图示，上一方框为放大电路，下一方框为 反馈网络。图（b）中，电路和闸通电后，在电扰动下，对于某一特定频率fo的信号形成正反馈由于半导体器件的非线性特性及供电电源的限制，最终达到动态平衡，稳 定在一定的幅值。即X。X；X。表明正弦波振荡电路的平衡条件为：X。AFX。

4、而平衡条件又分为幅值平衡条件和相位平衡条件，即：幅值平衡条件相位平衡条件A F 1A F 11af 2 n n所以电路的起振条件为：A F1正弦波发生电路的组成及各部分的作用引入正反馈的反馈网络和放大电路，其中接入正反馈是产生振荡的首要条件； 要产生按振荡还必需要满足幅值条件；要保证输出频率单一且实现频率的可控， 必需要有选频网络；同时还应具备稳幅特性。因此，正弦波产生电路主要有放大 电路、反馈网络、选频网络、稳幅环节四部分组成。（1） 放大电路：保证电路能够有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅 值的输出值。（2）正反馈网络：满足相位条件，放大电路的输入信号等于其反馈信号。（3）选频网络：

5、确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的信号，保证电 路产生正弦波振荡。（4）稳幅环节：即非线性环节，稳定输出信号的幅值。判断电路是否振荡。判断电路能否产生正弦波振荡的方法：（1）观察电路是否存在放大电路、反馈网络、选频网络、稳幅环节等四个 重要组成部分。（2）放大电路的结构是否合理，能否正常放大，静态工作是否合适。（3）电路是否满足起振的幅度条件。若能满足相位平衡条件，又能满足起 振条件，则说明该电路一定会产生正弦波振荡。正弦波振荡电路检验，若：iff u 1（1）*丄则不可能振荡；jo1 1（2）丄 产生振荡，但输出波形明显失真；AF 1 亠AP = 1（3）产生振荡。振荡稳定后。此种情况

6、起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小桥式正弦波振荡电路RC桥式正弦波振荡电路的特征是以集成运放为中心，以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，其电路如图 所示电路的起振条件：Rf三2R1振荡频率：f=1/2 n RC可通过调整R和C的数值来改变振荡频率，要想提高振荡频率，则要减小R和C或减少两者之一。3.2电压比较器的工作原理单限比较器将集成运放的一个输入端接地，另一个输入端接输入信号，就构成过零比较器，其电路和电压传输特性如图 所示。当U 0时，输出一个低电平 UO = UOM UI +Ur，那么UN大于UP,因而UO=-UZ, UPUT。只有当输人电压U 减小到-UT,再减小一个无穷小量时

7、，输出电压 UO才会从低电平-UZ跃变为高电 平+垃。因此，图（a）所示电路的电压传输特性如图（b）所示。从电压传输特性上可以看出，当-Utv UI v +UT时，UO可能是-UZ,也可能是 +UZ。这取决于UI是从小于-UT,还是从大于+UT变化而来的，即曲线具有方向性， 如图（b）所示。实际上，由于集成运放的开环差模增益不是无穷大，只有当它的差模输人电 压足够大时，输出电压UO才为土UZ。UI在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过 程中，随着U的变化，将经过线性区，并需要一定的时间。滞回比较器中引人 了正反馈，加快了 UO的转换速度。例如，当UO- +UZ、UP=+Ur时，只要U略大

8、 于+UT足以引起UO的下降，即会产生如下的正反馈过程：UO的下降导致UP下降， 而UP的下降又使得UO进一步下降，反馈的结果使 UO迅速变为-UT,从而获得 较为理想的电压传输特性。3.3积分电路的工作原理电路组成：用积分电路将正弦波转换为方波其电路如图所示C上AIf+1=RC式中,C 2t=RG称为积分器的时间常数。当输入信号为方波时,图3.3.1积分电路其输出信号为三角波，其传输特性曲线如图3.3.2示:四系统中各模块电路的设计4.1正弦波发生电路设计频率可调的RC桥式振荡电路如图所示频率调节电路产生正弦波的频率为：f= f=1/2 n RC可通过改变电位器的阻值来改变 电路的频率，还应

9、设置多个电容，每个电容对应一个档位，输出一定频率围的波 形。当 C2=C5=0.001uF时若电位器R11和R12同时调到最大，则12 冗 C( R1 R11)1.51KHZ12 3.14 (5.1100)1030.001 10 6若电位器R11和R12同时调到最零，则12n CR11323.145.1100.00110 631.2KHZ当 C1= C4=0.01uF时若电位器R11和R12同时调到最大，则 1 1f36 151HZ2冗 C( R1 R11) 2 3.14 (5.1 100)103 0.01 10 6 若电位器R11和R12同时调到最零，则1 1f16 3.12KHZ2n CR

10、1 23.145.1100.0110同理，当电容为0.1uF、1uF、10uF、100uF时，频率的调节围为：15.1HZ312HZ 1.51HZ31.2HZ、0.15HZ3.12HZ、0.015HZ0.312HZ。由上述个式可知，相邻档位的频率相互覆盖，可以实现频率的连续可调。幅值调节可通过调节电路中电位器 R4阻值的大小来改变输出波形的幅度，与R4串联 的两个正反倒向的二极管，起到稳定输出电压幅值的作用。停示波誥正弦波振荡电路仿真输出波形如图 所示：T2-1时司 113rns 15.195 ms 1.056 ms通道通道上1.909 V-L979 V-3-(88S V歴向1保存：Ext.

11、Trigger诵崔Ai箱适Buer比例I亦伽m b忡边沼可电1冋B “剛丫位査h丫位蛊 h电平bF/T 加载 | 0/A A/0 1AC| 0 |dcpac| o Jdc ”1厂类型正弦标难自动|4.2正弦波转换成方波电路设计该电路用的为过零比较器，图中用到的稳压管起到稳定方波幅值的作用, 若所加为2V稳压管，则输出方波幅值为2V。电路仿真输出波形如图所示图正弦波转换为方波电路仿真波形4.3方波转换成三角波电路设计该电路为一个积分电路，通过此积分电路将方波转换为三角波t2输出电压:U0=-1RCu(t)dtt1+Uo(t i)可通过改变滑动变阻的阻值来改变三角波的峰峰值。 仿真输出波形如图4.

12、3.2所示图4.3.2 方波-三角波仿真输出波形4.4系统总电路图系统总电路图为:IfflcQ :04 ： 帕3WkD ：U3A:-WE出：2期 WEJIW1uF图4.1.1 系统总电路图图系统电路仿真输出波形五电路调试电路分为三部分，第一部分为RC桥式正弦振荡电路，其功能是利用RC振荡 产生特定频率的正弦波；第二部分为电压比较器电路，其功能是将正弦波转成方 波；第三部分为积分电路，其功能为利用积分电路将方波转成三角波；5.1 RC正弦波振荡电路调试确定好电路和元件参数后，先进行元件的排版和布局，然后采取分块焊接的 方法焊接电路。先完成 RC正弦波振荡电路部分，完成后，接通电源，用示波器 观察

13、是否有正弦波产生。一开始没有正弦波产生，首先对电路进行了检查，是否 存在短路、虚焊等问题；在排除电路和焊接问题后，检查电源是否连接错误。最 后得出的结果是，连接电源时，没有将“地”连接上，待连上“地”后，接上示 波器，观察到了正弦波。波形出来后，调节电位器，观察其频率是否能连续可调， 正弦波幅值能否达到2V。5.2电压比较器电路调试正弦波出来后，接着完成电压比较器电路部分，用示波器观察，能观察到方 波，但方波的幅值过大，没有达到要求的 2V，在排除第一部分正弦波振荡电路 的问题后，发现电压比较器中选用的稳压管稳幅电压过大，换上2V稳压管后，方波幅值达到了要求。问题解决后，继续完成下一部分。5.3积分电路调试方波部分完成后，继续完成最后一部分积分电路，波形出来后，接着进行整 个电路系统的调试。5.4系统电路调试整个电路完成后，对电路进行整体的测试，若波形存在失真，则应进一步完 善，将波形调到最佳状态，所有波形出来后，则完成了设计的基本要求，接下来 完成提高要求。第一步、对 RC正弦波振荡电路进行调节，调节正弦波振荡电路 放大环节的电位器，正弦波幅值能达到设计要求的正负2V,同时调节RC选频网络电位器的阻值（保持两电位器阻值相等），其频率能实现连续可调。