模拟电路课程设计函数发生器设计.docx
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模拟电路课程设计函数发生器设计
洛阳理工学院
课程设计报告
课程名称_______模拟电子技术基本教程________
设计题目函数发生器设计
专业_________物联网工程专业____________
班级
学号
姓名
完成日期_______2017/01/05___________
课程设计任务书
设计题目:
______________函数发生器设计_________________
_________________________________________________________
设计内容与要求:
利用运放和分立元器件设计一函数信号发生器,能输出正弦波、三角波、方波等。
技术指标:
1.输出频率:
1Hz-100KHz连续可调;
2.输出幅值:
正弦波峰-峰值0~10V;三角波波峰-峰值0~5V;方波波峰-峰值0~10V;
3.输出阻抗:
Ro≤100Ω;
4.输出:
正弦波失真度≤5%,三角波非线性≤5%,方波上升时间≤10us;
指导教师:
秦玉洁
年月日
课程设计评语
成绩:
指导教师:
___秦玉洁_
年月日
原理框图
图1.1
一、设计的具体实现
1、系统概述
1.1正弦波发生电路的工作原理
产生正弦振荡的条件:
正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波,我们一般在放大电路中引入正反馈,并创造条件,使其产生稳定可靠的振荡。
正弦波产生电路的基本结构是:
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,它又被称为相位条件;产生振荡必须满足幅度条件;要保证输出波形为单一频率的正弦波,必须具有选频特性;同时它还应具有稳幅特性。
因此,正弦波产生电路一般包括:
放大电路;反馈网络;选频网络;稳幅电路个部分。
正弦波振荡电路的组成判断及分类:
(二)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,实现自由控制。
(三)选频网络:
确定电路的振荡频率,是电路产生单一频率的振荡,即保证电路产生正弦波振荡。
(四)正反馈网络:
引入正反馈,使放大电路的输入信号等于其反馈信号。
(五)稳幅环节:
也就是非线性环节,作用是输出信号幅值稳定。
判断电路是否振荡。
方法是:
(1)是否满足相位条件,即电路是否是正反馈,只有满足相位条件才可能产生振荡
(2)放大电路的结构是否合理,有无放大能力,静态工作是否合适;
(3)是否满足幅度条件
正弦波振荡电路检验,若:
(1)
则不可能振荡;
(2)
振荡,但输出波形明显失真;
(3)
产生振荡。
振荡稳定后
。
此种情况起振容易,振荡稳定,输出波形的失真小
分类:
按选频网络的元件类型,把正先振荡电路分为:
RC正弦波振荡电路;LC正弦波振荡电路。
RC正弦波振荡电路
常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路,它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。
串并联网络在此作为选频和反馈网络。
它的电路图如图
(1)所示:
它的起振条件为:
。
它的振荡频率为:
它主要用于低频振荡。
要想产生更高频率的正弦信号,一般采用LC正弦波振荡电路。
它的振荡频率为:
。
1.2正弦波转换方波电路的工作原理
在单限比较器中,输入电压在阀值电压附近的任何微小变化,都将引起输出电压的跃变,不管这种微小变化是来源于输入信号还是外部干扰。
因此,虽然单限比较器很灵敏,但是抗干扰能力差。
而滞回比较器具有滞回特性,即具有惯性,因此也就具有一定的抗干扰能力。
从反向输入端输人的滞回比较器电路如图1a所示,滞回比较器电路中引人了正反馈。
从集成运放输出端的限幅电路可以看出,UO=±UZ。
集成运放反相输人端电位UP=UI同相输入端电位
图1.2
令UN=UP求出的uI就是阀值电压,因此得出
输出电压在输人电压u,等于阀值电压时的变化。
若uI<-UT,那么UN一定小于up,因而UO=+UZ,所以uP=+UYO。
只有当输人电压uI增大到+UT,再增大一个无穷小量时,输出电压UO才会从+UT跃变为-UT。
同理,假设UI>+UT,那么UN一定大于uP,因而UO=-UZ,所以uP=-UT。
只有当输人电压UI减小到-UT,再减小一个无穷小量时,输出电压UO才会从-UT跃变为+UT。
可见,UO从+UT跃变为-UT和从-UT跃变为+UT的阀值电压是不同的,电压传输特性如图b)所不。
从电压传输特性上可以看出,当-UT<uI<+UT时,UO可能是-UT,也可能是+UT。
如果uI是从小于-UT,的值逐渐增大到-UT 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±UZ。 UO在从+UT变为-UT或从-UT变为+UT的过程中,随着uI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=+UT时,只要uI略大于+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。 本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号,其传输特性曲线如下图所示: 正弦波传输特性 1.3方波转换成三角波电路的工作原理: 图1.3 图1.4 当输入信号为方波时,其输出信号为三角波,电路波形图如下: 图1.5 二、 单元电路设计与分析 2.1正弦波发生电路的设计 本电路中采用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波,其电路图如下所示 RC桥式正弦振荡电路 图2.1 该反馈电路Rf回路串联两个并联的二极管,如上图所示串联了两个并联的1N4148,这样利用电流增大时二极管动态电阻减小、电流减小时动态电阻增大的特点,加入非线性环节,从而使输出电压稳定。 此时输出电压系数为 Au=1+(Rf+rd)/R1 RC振荡的频率为: f0=1/(2∏RC) 该电路中R=10KC=100nF f0=1/(2*3.14*1000*0.0000001)≈1592Hz T=1/f0=1/1592=0.628ms 用Multisim10.0对电路进行仿真得到下图 图2.2 仿真波形 从图中可得出产生的正弦波最大值Umax=10.984V; T=1.591ms×4=6.364ms≈6.4ms. F0=1/T=1562Hz. 仿真得出的数据与理论计算基本一样,电路正确。 2.2正弦波转换方波电路的设计 本电路中采用滞回电压比较器将正弦波转成方波,其电路原理如下图所示 滞回电压比较器电路原理图 图2.3 本电路中用到的稳压管稳压电压为±5V 电路中阈值电压为: UT1=- UZ UT2= UZ 用Multisim10.0对其进行仿真得到如下波形图 波形仿真: 图2.4 从波形中可以得到方波电压为±5.6V,与理论基本一样,可得出电路是正确的。 2.3方波转换成三角波电路的设计 本电路中方波转成三角波采用积分电路,其电路原理如下图所示 积分电路图 图2.5 积分电路分工为: U0=- +u0(t1) 电路仿真如下图所示 图2.6 2.4仿真电路 图2.7 该电路分为三部分,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,其功能为将正弦波转成方波;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; 在正弦波产生电路中f=1/(2∏RC),改变RC的值可以改变电路的信号频率,在电压比较器中,改变参考电压UREF的值可以改变方波的比例。 2.5实验数据 正弦波,三角波,方波 图2.8 三、总结 第一次自己动手查电路实验资料、设计电路、仿真等过程,总体下来收获很大。 在调试电路时,总是很难找到合适的参数。 但每当电路有一点反应时,的心情都很激动,再努力一点点就可以成功,所以在不断的查阅书籍和资料,学习别人的案例,最后将电路设计成功! 当看到课程设计题目时感觉很茫然,什么不知道,不知道从何下入手,只有要求,好像特别难。 先画出大概的电路图,之后又在Multisim上仿真。 不断调试,也在网上找Multisim的使用方法。 使用Multisim对其进行仿真,无需将电路事物图做出来。 用Multisim10对电路进行仿很方便,而且安全,对电路的修改很方便。 本次设计中采用电路模块化理念,将本来非常复杂的电路分解成一个个简单的单元电路,然后设计单元电路。 最后将每个单元电路连接起来便成了一个复杂的,具有特定功能的电路。 本次模拟电路课程设计中遇到了很多困难,但在老师和同学的帮助下、在自己的努力下,还是将问题一个一个的解决了。 总的来说收获最大的就是学会了设计电路的multisim软件,还有分析问题解决问题的思想。
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