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1、 学 号： 课 程 设 计题 目波形转换电路的设计学 院理学院专 业电子信息科学与技术班 级姓 名指导教师2012年1月23日 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信科xxx班 指导老师： 工作单位：武汉理工大学理学院 题目：波形转换电路的设计初始条件：直流稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求）1、 技术要求：设计一种波形转换电路，要求产生频率可调的方波，并且能够实现方波转换为三角波。测试并且记录下不同频率下的方波和三角波的波形图，以及输出电压值。2、 主要任务：（一）设计方案（1
2、） 按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；（2） 以集成电路运算放大器LF353为主，设计一种波形转换电路（实现方案）；（3） 依据设计方案，进行预答辩；（二）实现方案（4） 根据设计的实现方案，画出电路图；（5） 查阅资料，确定所需各元器件型号和参数；（6） 在面包板上组装电路；（7） 自拟调整测试方法，并调试电路使其达到设计指标要求；（8） 撰写设计说明书，进行答辩。3、 撰写课程设计说明书：封面：题目，学院，专业，班级，姓名，学号，指导教师，日期任务书目录（自动生成）正文：1、技术指标；2、设计方案及其比较；3、实现方案；4、调试过程及结论；5、心得体会；6、参考文献成绩评
3、定表时间安排：课程设计时间：20周21周20周：明确任务，查阅资料，提出不同的设计方案（包括实现方案）并答辩；21周：按照实现方案进行电路布线并调试通过；撰写课程设计说明书。指导教师签名： 年 月 日系主任（或负责老师）签名： 年 月 日 武汉理工大学专业课程设计（一）课程设计说明书 波形转换电路的设计1 技术指标设计一种波形转换电路，要求产生频率可调的方波，并且能够实现方波转换为三角波。测试并且记录下不同频率下的方波和三角波的波形图，以及输出电压值。2 设计方案及其比较2.1 方案一先设计一RC正弦波振荡器产生一频率可调的正弦波，再用过零比较器将其转换为方波，最后用积分器将方波转换为三角波，
4、整个电路由三部分组成。 1）RC正弦波振荡器，电路如下图所示： 图2.1 RC正弦波振荡器, 该电路利用自激振荡产生正弦波，其频率为f=1/2RC，故调节滑阻R即可实现频率调节，并且由幅值平衡条件可算出,输出电压的幅值由运算放大器两端的偏置电压决定。 2）将所产生的正弦波转换成方波，电路如下图所示： 图2.2 过零比较器 上图为一过零比较器，由于运算放大器的放大倍数很大，可近 似为无穷大。当输入信号Vi0时，输出信号Vo趋于负无穷大；当Vi0时，输出Vo趋于正无穷大。由于输出电压受运放偏置电压限制，故。 图中R1、D1和D2为输入保护电路，R1为限流电阻，防止输入信号过大损坏运算放大器， D1
5、和D2为输入保护二极管，限制输入电压幅度。输出回路 R2为限流电阻，D3和D4作稳压管用，完成输出电压双向限幅。输入正弦波即可在输出端产生方波，频率与正弦波相同。 3）方波转换成三角波，电路如下图所示： 图2.3 积分电路 上式表明，Vo-Vi为积分关系，负号表示输入和输出信号相位相反。当Vi为定值时，电容将横流充电，输出电压为： (1)可见Vo与t呈线性关系，当输入方波信号Vi时，输出端即可得到三角波信号Vo，其幅值为，其中T为方波信号的周期，频率与方波信号相同。4） 整合电路如下图所示： 图2.4 方案一整合电路 在上图中由由自激振荡在第一级运放输出端产生正弦波信号，将其输入到中间部分的过
6、零比较器即可得到方波信号Vo1，再将Vo1接到到积分器的输入端，即可在输出端Vo2得到三角波信号，同时调节滑阻RV1和RV2即可调节方波和三角波的频率。2.2 方案二设计一方波发生器，再将其产生的方波通过RC电路转换为三角波，整个电路由两部分组成。1） 方波发生器，产生频率可调的方波，电路如下图所示： 图2.5 方波发生器上图为一方波发生器，由电压比较器设计而成，该电路具有正反馈和负反馈，其中正反馈系数为 (2)方波周期由此可知，只需调节滑阻R即可调节输出的方波信号的频率。图中D1，D2作稳压管用，以稳定输出电压的幅值，故输出电压的幅值由稳压管的击穿电压决定。2） 将方波信号转换成三角波信号，
7、电路如下图所示： 图2.6 RC串联电路 由于该电路中具有延迟环节，电容充满电需要一定的时间，由公式可得将电容充满电所需时间为 (3)设输入的方波信号的周期为T，则只需适当地设置R和C的参数使之满足即可保证电容一直处于充电或放电状态，这样就能使电容两端电压与时间成正比，呈线性关系，由于输入的方波信号的上限电压和下限电压大小相等方向相反，故可在输出端Vo输出三角波信号，其频率与方波相同，幅值为。3） 整合电路如下图所示： 图2.7 方案二整合电路在上图中由方波发生器在第一级输出端Vo1处产生方波，所产生的方波通过RC串联电路在Vo2端产生三角波，方波和三角波的频率可由滑阻RV1调节。2.3 方案
8、比较方案一首先利用自激振荡产生一正弦波信号，再使用比较器间接地产生方波，方波转换为三角波的环节则使用积分器，利用运放产生三角波。而方案二则采取利用方波发生器直接产生方波，在将方波转换为三角波时则使用RC串联电路，利用电容的迟滞特性产生三角波。方案一原理简单易懂，所产生的波形也比较稳定，但构造复杂且不易调频，相比之下方案二的电路则显得简单整洁，调节频率只需调节一个滑阻，但产生的三角波不及方案一标准。3 实现方案实现方案综合了方案一和方案二，取优除劣，采用方波发生器和积分器的组合电路，即能直接产生方波，也能输出比较标准的三角波，同时保证了整个构造简单整洁，便于布线，更具可行性。其电路如下图所示：
9、图3.1 实现方案该电路的前级部分为一方波发生器，由施密特触发器以及少量电阻、电容元件组成，并且具有正反馈和负反馈，该电路的正反馈系数为 (4) (5)在接通电源的瞬间，输出电压究竟是处于正向饱和或是负向饱和，这是随机的。假设初始输出电压为负向饱和，即，则加到运算放大器同相输入端的电压为,而加于反相端的电压由于电容C上的电压不能突变，只能由输出电压Vo1通过负反馈电阻R按指数规律向C充电来建立，显然0。当越来越正，直到比还大时，输出电压立即从正的饱和值翻转到负饱和值。如此循环下去即可形成方波输出，根据一阶RC电路的三要素法有 (6)输出方波高电平的时间间隔为 (7)输出方波低电平的时间间隔为
10、(8)则方波的周期为故其频率可由滑阻R调节，输出方波的幅值由运放所加偏置电压确定。该电路的后半部分为一积分器，由运放、电容和电阻组成，利用“虚短”和“虚断”两条法则求Vo2-Vo1的关系，有 (9) (10)由节点电流法可知 （11） （12）由上式可知Vo2-Vo1为积分关系，当Vo1为定值时，电容将恒流充电，输出电压为，由此可知Vo2与时间t呈线性关系，当输入由方波发生器产生的方波信号Vo1时即可产生频率与方波信号相同的三角波信号Vo2。 该电路所采用的运算放大器为LF353，为一双运放，其引脚图如下图所示： 图3.2 LF353引脚图 如图所示，LF353由两个运放组成，故接线时只需使用一组引脚，且不能交错使用。电路中的电容C可在方波比较器中产生延迟环节，使得反相端的电压不能突变，由此产生方波。滑动变阻器R可以调频并作为方波发生器中的负反馈环节，电阻R1和R2则作为正反馈环节。电容C1和电阻R3为积分器的组成部分，可以决定三角波的幅值。布线图如下图所示： 图3.3 布线图4 调试过程及结论调试过程：开始实验后，首先连好地线，调节正负电源，用示波器监测输出端Vo1和Vo2
