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1、摘要关键词波形发生器又称为振荡器，它不需要输入信号的激励，电路通过正 反馈，将直流电源的能量转换为各种稳定的、随时间周期性变化的交流 信号的能量而输出。即没有输入就有输出，根据输出信号波形的不同， 分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。波形发生器是一种广泛应 用于电子电路、自动控制和科学实验等领域的信号源。比如电参量的测 量、雷达、通信、电子对抗与电子系统、宇航和遥控遥测技术等等。RC 桥式正弦波振荡电路产生正弦波，正弦波频率可通过调节电阻R及电容 C实现100HZ20KHZ的变换，再通过电压跟随器输出正弦波。正弦波通 过过零比较器，整形为方波，同样经过电压跟随器输出方波。方波通过 积分运算
2、电路，整形为三角波。正弦波发生器/过零比较器/电压跟随器/正弦波/方波/三角波目录1方案设计12简易波形发生器原理级框图42.1基本原理42.2原理框图43正弦波发生电路53.1正弦波振荡器原理和结构53.2产生振荡的条件53.2.1振荡平衡条件53.2.2振荡起振条件63.3 RC选频网络73.3.1 RC桥式振荡器电路73.3.2 RC桥式振荡器的选频特性83.3.3电压跟随器94方波发生电路114.1迟滞比较器114.2方波产生原理125三角波的产生电路135.1方波到三角波的转换原理136简易波形发生器的设计156.1简易波形发生器的总原理156.1.1输出波形156.1.2频率范围1
3、66.1.3输出电压166.1.4显示输出波形的类型167设计总结与心得体会 17致谢18主要参考文献19附录一:总原理电路图20附录二:元件清单211方案设计方案一：利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成 三角波输出，用折线近似法将三角波变换成正弦波输出（如图111所 示）。函数发生器框图（如图1.1.2所示）。图1.1.1函数发生器框图图1.1.2多谐振荡器产生波形框图方案二：采用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图1.1.3所示。方案三：采用ICL8038单片压控函数发生器，ICL8038可同时产生正弦波、方波和三
4、角波（如图1.1.4所示）。改变ICL8038的调制电压，可以实现数控调节，其振荡范围为0.001Hz300KHZ。由于电路图简单，芯片高度集中，不能很好的体现学生的思路，故而不宜采用。综述：根据实验的原理及难易程度，课程设计的目的，我们采用方案二。2简易波形发生器原理级框图2.1基本原理RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，正弦波频率可通过调节电阻R 及电容C实现100HZ20KHZ的变换，再通过电压跟随器输出正弦波。正 弦波通过过零比较器，整形为方波，同样经过电压跟随器输出方波。方 波通过积分运算电路，整形为三角波。2.2原理框图本课题采用的是正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器 产生
5、方波，再经过积分电路产生三角波，其电路框图如图2.1所示。正弦波发生器_过零比较器 _k积分器許3正弦波发生电路3.1正弦波振荡器原理和结构正弦波振荡器由一个基本放大器和一个带有选频功能的正反馈网络 组成，它没有输入信号。如果在放大电路的输入端外接一定频率、一定 幅度的正弦波信号，经过基本放大电路和反馈网络所构成的环路传播后, 在反馈网络输出端，得到反馈信号X- 如果X-与X-在大小和相 f ，/i位上都一致，那么就可以除去外接信号，如图3.1所示形成闭环系统， 其输出端可能继续维持与开环时一样的输出信号。(a)*x00哼.11壮1*F(b)图3.13.2产生振荡的条件3.2.1振荡平衡条件由
6、于输入信号为零，所以X f X便有AFoAF = 1在上式中，设 A 二 AZp , F 二 FZp f 则 AF=AF49 +申）=1 即:afa fAF = 1振幅平衡条件Pa +Pf = 2nK （n = 0,1.2）相位平衡条件一个振荡器只有同时满足这两个条件，才能振荡。3.2.2振荡起振条件振荡器满足平衡条件时，x =x输出信号幅度保持不变。但在振荡 f i器刚开始振荡时，信号非常微弱，如仅是X =X振荡器将不能起振。必 f i须使每次反馈回来的信号大于原来的输入信号，即XfX.,振荡才能 / I由弱到强建立起来。所以振荡起振条件应为AF 1。这样，在接通电源后，振荡电路就 有可能自
7、行起振，最后趋于平衡。当输出信号幅值增加到一定程度时， 就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。稳幅的作用就是，当输出 信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 A（3）F（3 ）1回到 A（3）F（3 ）=1.3.3 RC选频网络3.3.1 RC桥式振荡器电路RC桥式正弦波振荡电路，也称文氏桥振荡电路。它可由以下四个部分 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，使电路获得 一定幅值的输出量，实现能量的控制。（2）选频网络：确定电路的振荡频率，使电路产生单一频率的振荡，即 保证电路产生正弦波振荡。（3）正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于反馈信号。（4）稳幅环
8、节：也就是非线性环节，作用是使输出信号幅值稳定。 说明：本设计中选频网络与正反馈网络“合二为一”由于RC桥式电桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点被 大量应用与低频振荡电路，所以本课题拟采用RC桥式电桥振荡器产生正 如图3.2所示。图3.2 RC正弦波振荡器电路其中Rl、C1和R2、C2为串、并联选频网络，接于运算放大器的输 出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、RW及R4 组成负反馈网络，调节RW可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路 的电压增益，使电压增益满足振荡的幅度条件。为了使振荡幅度稳定， 通常在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大
9、电路的增益，从而维持输出电压幅度的稳定。图中的两个二极管Dl，D2 便是稳幅元件。当输出电压的幅度较小时，电阻R4两端的电压低，二极 管Dl、D2截止，负反馈系数由R3、RW及R4决定；当输出电压的幅度增 加到一定程度时，二极管Dl、D2在正负半周轮流工作，其动态电阻与 R4并联，使负反馈系数加大，电压增益下降。输出电压的幅度越大，二 极管的动态电阻越小，电压增益也越小，输出电压的幅度保持基本稳定。3.3.2 RC桥式振荡器的选频特性通过以下计算，可以求出RC串并联选频网络的频率特性 GF =亠K/(1)整理可得错误！未找到弓1用源。令错误！未找到引用源。=1/RC,则o 2nRC(3)代入(
10、2)，得出F=- 州&+)0幅频特性为F：2 J On:3吟F=Krctaiiz:T_-;F相频特性为匕 当f=错误！未找到弓|用源。时错误！未找到引用源。二错误！未找到引 用源。即|u. | = - UQ，错误！未找到弓|用源。（AF =1又由$可知（%+竹=亦 n为整数）当f=错误！未找到弓|用源。时错误！未找到弓I用源。二错误！未找到引 用源。所以错误！未找到引用源。（7）式表明，只要RC串并联选频网络匹配一个电压放大倍数等于3 （即 输出电压与输入电压同相，且放大倍数的数值为3）的放大电路就可以 构成正弦波振荡电路。3.3.3电压跟随器用运放接成的电压跟随器电路，主要起保护上一级不受下
11、一级电路 影响的作用。理想运放的开环差模增益为无穷大，因而电压跟随器具有 比射极输出器好得多的跟随特性。其电路图如下：图3.34方波发生电路4.1迟滞比较器迟滞比较器是一个具有迟滞回环传输特性的比较器。为了获得图4.1的传输特性，在反相输入单门限电压比较器的基础上引入了正反馈, 如图4.2所示，图4.1迟滞比较器电压传输特性图4.2迟滞比较器由图4.2可知：上下门限电压：UHR omRi-R2Uom将迟滞比较器输入端Vi为零就构成过零比较器。4.2方波产生原理方波的产生电路主要由一个过零比较器组成，前级产生的正弦波输入过零比较器，整形为相同频率的方波。其电路图如图4.3所示。RRV =1 V
12、+2 V由图4.3可知:p R + R o R + R i2 1 2 1V电路翻转时：=V =_R VthR20V u V = 0即得：N P当输入信号为正弦波时，每过零一次，比较器的输入端将产生一次电压跳变，其、正负向幅度均受供电电源的限制。因此，输出电压波形降为具有正负极性的方波。5三角波的产生电路5.1方波到三角波的转换原理方波和三角波发生器由集成运算放大器构成的方波和三角波发生器，一般均包括比较器和RC积分器两大部分。其电路图如图5.1所示, 为由迟滞比较器和集成运放组成的积分电路所构成的方波和三角波发生如图5.1所示，A1构成迟滞比较器。同相端电位Vp由VO1和VO2 决定。利用叠加
13、定理可得：当Vp0时，A1输出为正，即VO1 = +Vz；当VpVO时，A1输出 为负即VO1二-Vz。A2构成反相积分器。VO1为负时，VO2向正向变化，VO1为正时， VO2向负向变化。假设电源接通时VO1=-Vz，线性增加。RRV 二 i V +2 VP R + R oi R + R 022 1 2 1当:V二02R 1 R2VZ时，可得：VR=1(-V ) +R2-(冬-V ) - 0PR + R2 1ZR2+ RR1 2Z当VO2上升到使Vp略高于0V时，A1的输出翻转到VOl=+Vz。V 二乞 V同样：02 R 2 Z 时，当VO2下降到使Vp略低于0时，VO1 =-Vz o这样不
14、断的重复，就可以得到方波VO1和三角波V02。其输出波 形如图5.2所示。输出方波的幅值由稳压管DZ决定，被限制在稳压值土 Vz之间。电路的振荡频率:f = R 2o 4 R R C1 W方波幅值：V01二土 VzR 1三角波幅值：V 02 = R 2 VZ调节Rw 可改变振荡频率。6简易波形发生器的设计6.1简易波形发生器的总原理6.1.1输出波形RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，正弦波频率可通过调节电阻R 及电容C实现100HZ20KHZ的变换，再通过电压跟随器输出正弦波。正 弦波通过过零比较器，整形为方波，同样经过电压跟随器输出方波。方 波通过积分运算电路，整形为三角波。即按照正弦波方波三角 波。6.1.2频率范围RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波，正弦波频率可通过调节电阻R及电容C实现100HZ20KHZ的变换，再通过电压跟随器输出正弦波。方 波和三角波发生器电路的振荡频率：函数发生器的输出频率范围一般为若干波段，如100HZ20KHZ。 调节Rw 可改变振荡频率。f_乞04 R R C1 W6.1.3输出电压输出电压一般
