基于运算放大器的三角波发生器.docx

共 15 页 第 1 页河南城建学院《模拟电子技术》课程设计任务书题目：基于运算放大器的三角波发生器学院（系）：年级专业： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 共 15 页 第 2 页河南城建学院课程设计（论文）任务书院（系）：电气与信息工程学院 自动化 学 号 学生姓名 专业（班级）设计题目 基于运算放大器的三角波发生器设计技术参数利用运算放大器产生幅值和频率单独可调的三角波，其中最大幅值为2.5V，频率范围在 100 到 1000Hz设计要求1：完成题目的理论设计模型；2：给出系统原理图、关键器件的参数及设计依据；3：完成电路的 multisim 仿真；工作量1：完成一份设计说明书（其中包括理论设计的相关参数以及仿真结果） ；2：提交一份电路原理图；工作计划周一上午到周二上午，教室内做理论设计；周二下午到周五上午，自己有计算机的同学在教室内做 multisim 仿真，没有计算机的同学到实验室进行电路仿真；周五下午，教室内整理设计材料、准备撰写设计说明书参考资料1:基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计；2：模拟电子技术；3：电路理论；4：数字电子技术；指导教师签字 基层教学单位主任签 字说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。

共 15 页 第 3 页2013 年 6 月 28 日目 录第一章 设计的意义 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 4第二章 设计原理 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 5一、方波的产生 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙5根 据 翻 转 条 件 ， 令 上 式 右 方 为 零 ， 得 此 时 的 输 入 电 压 ∙∙∙∙∙ 7二、三角波的产生 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙8第三章 仿真图结果分析 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 10第四章 课程设计结论 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12第五章 心得体会 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12参考文献 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13 共 15 页 第 4 页第一章 设计的意义人们在认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。

信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形传统的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，不能根据实际需要灵活扩展随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便波形函数信号发生器广泛地应用于各种场所函数信号发生器应用范围广阔，测量，控制，通信、广播、电视系统中，常常需要频率可变和幅度可调的信号发生器除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域函数信号发生器，能产生某些特定的周期性时间函数波形（正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等）信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫，在电路实验和设备检测中具有十分 共 15 页 第 5 页广泛的用途。

而我设计的三角波发生器原理为：通过将滞回电压比较器的输出信号通过 RC 电路反馈到输入端，可组成矩形波信号发生器，然后经过积分电路产生三角波的输出其优点是制作成本低，电路简单，使用方便，频率和幅值可调，具有实际的应用价值此外，对于电气专业的学生，对函数信号发生器的设计，仿真，制作已成为最基本的一种技能，也是一个很好的锻炼机会，是一种综合能力的锻炼，它涉及基本的电路原理知识，仿真软件的使用，以及电路的搭建，既考验基础知识的掌握，又锻练动手能力故此次课程设计具有非凡的意义第二章 设计原理产生方波、三角波的方案有多种，根据所学知识及设计要求，本次设计主要采用比较器和积分器同时产生方波和三角波，其中电压比较器产生方波，对其输出波形进行一次积分产生三角波采用直流电压信号与积分电路相连，从而改变三角波和方波的频率该电路的优点是十分明显的：1、线性良好，稳定性好；2、频率易调，在几个数量级的频带范围内，可以方便的连续的改变频率，而且频率改变时，幅度恒定不变；3、三角波和方波在半周期内是时间的线性函数，易于变换其他波形 共 15 页 第 6 页电压比较电路产生方波 积分电路 产生三角波一、方波的产生方波的产生有很多种方法，而用运算放大器的非线性应用——电压比较器，是一种产生方波的最简单的电路之一。

如图所示，是在单门限电压比较器的基础上加上部分正反馈构成的迟滞电压比较器，其中D1、D2 为双向稳压管图中双 稳 压 管 用 于 输 出 电 压 限 幅 ， R3 起 限 流 作 用 ， R1 和 R1 构 共 15 页 第 7 页成 正 反 馈 ， 运 算 放 大 器 当 up>un时 工 作 在 正 饱 和 区 ， 而 当 un>up时工 作 在 负 饱 和 区 从 电 路 结 构 可 知 ， 当 输 入 电 压 uin小 于 某 一 负 值电 压 时 ， 输 出 电 压 uo= -UZ； 当 输 入 电 压 uin大 于 某 一 电 压 时 ， uo= +UZ 运 算 放 大 器 在 两 个 饱 和 区 翻 转 时 up=un=0， 由 此 可 确 定 出 翻 转时 的 输 入 电 压 up用 uin和 uo表 示 ， 有 21oin21ip RR根 据 翻 转 条 件 ， 令 上 式 右 方 为 零 ， 得 此 时 的 输 入 电 压thZ21o21in UuUth称 为 阈 值 电 压 。

滞 回 电 压 比 较 器 的 直 流 传 递 特 性 如 图 3-2所 示 设 输 入 电 压 初 始 值 小 于 -Uth， 此 时 uo= -UZ ； 增 大 uin， 当uin=Uth时 ， 运 放 输 出 状 态 翻 转 ， 进 入 正 饱 和 区 如 果 初 始 时 刻 运放 工 作 在 正 饱 和 区 ， 减 小 uin ， 当 uin= -Uth时 ， 运 放 则 开 始 进 入负 饱 和 区 运 放 LM324 介绍LM324 是四运放集成电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，外形如图所示它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立 每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示，它有 5 个引出脚，其中 “+”、 “-”为两个信号输入端， “V+”、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端两个信号输入端中，Vi-（- ）为反相输入端， 图 2 LM324 的引脚排列图 5.4.1 LM324 的引脚排列 共 15 页 第 8 页表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相反； Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的相位相同。

LM324 的引脚排列见图 2 二、三角波的产生三角波产生电路是一种能够直接产生方波或矩形波的非正弦信号发生电路由于方波或矩形波包含极丰富的谐波，因此这种电路又称为多谐振荡电路它是在迟滞比较器的基础上，增加了一个由R、C组成的积分电路,把输出电压经过R、C反馈到比较器的反相端.在比较器的输出端引入限流电阻R和两个背靠背的双向稳压管就组成了双向限幅房波发生电路由于比较器中的运放处于正反馈状态，因此一般情况下，输出电压与输入电压不成线性关系，只有在输出电压发生跳变瞬间，集成运放两个输入电压才可近似等于零如需产生占空比小于或大于50%的矩形波，只需适当改变电容C的正 反向充电时间常数即可常用的三角波发生电路如图所示： 共 15 页 第 9 页当积分器的输入为方波时，输出是一个上升速率与下降速率相等的三角波，比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，能自动产生方波与三角波三角波（或方波）的频率为：CRTf4231式中表明，若要维持三角波的幅值不变，则 R2、R 3 的比值应固定，调节 R4 或 C 的值可以改变三角波的频率。

相关参数计算如下： 共 15 页 第 10 页（ uo1 - 0）/ R3=(0- uo2 )/ R2即 u o2 =(- R2/ R3） uo1 因设计要求最大幅值为 2.5V，也就是 uo2 最大为 2.5V，取R2 = 50k，R3 = 100k，则 uo1 =5V，让稳压管稳压到 5V根据频率公式 ，因 R3/R2=2，所以：f=1/2 CRTf4231R4C在选频网络中，取 R4=500，根据频率的变化范围100~1000HZ，可求得电容 C 如下：f=1/2 R4C=1/2*500*C=100HZC=1/2*500*100=10uf同理 当取 1000ＨＺ时，f=1/2 R4C=1/2*500*C=100HZC=1/2*500*1000=1uf所以选择可变电容器的范围在 之间变化,与 电nF90nF1容并联，总电容在 内变化，而且保持两个可变电容nF1~同时变化 共 15 页 第 11 页第三章 仿真图结果分析系统仿真电路图如下所示：方波输出波形图：图中，纵向每格表示 5V，横向每格为 10ms。

共 15 页 第 12 页三角波输出波形图:图中，纵向每格表示 5V，横向每格为 10ms如上图所示，运放 1 输出端输出稳定的方波波形，幅值为 5V；运放2 输出端输出稳定的三角波波形，幅值为 2.5V，频率在 100 到 1000Hz 内可调仿真结果达到设计任务的要求第四章 课程设计结论根据设计任务对频率及幅值的要求，绘制出设计如上图所的电路原理图，经过理论推导及计算，控制电容器的总电容从 1uf 到 10uf，当电容为 1uf 时对应的频率为 1000HZ，当电容为 10uf 时，频率为 100HZ，调节电容器的值，可以使输出波形的频率在 100 到 1000HZ 之间变化，可以达到频率为 100HZ 到 1000HZ 的要求；经过对稳压管及电阻的控制，可以使幅值稳定在 2.5V 左右，满足了设计要求。