波形发生器课程设计

1、摘要本设计介绍了波形发生器的制作和设计过程,并根据输出波形特性研究该电路的可行性。在此基础上设计了一种能产生方波、三角波的模块电路,包括了原理图。该电路有主要由LM741CN集成运放，积分电路，滞回比较器，RC振荡器，通过用双踪示波器来确定波形的幅值及可调占空比的上限及下限。重点阐述了矩形波发生器、宽度可调的矩形波发生器及三角波发生器的电路结构及工作原理，分析了单元电路的制作和工作过程并用Multisim软件进行了调试，调试结果表明设计的电路是可行的。关键词；波形发生器 Multisim 滞回比较器 RC振荡器 LM741CN集成运放引言随着社会的发展，各种稳定的波形产生器成为了我们生活中不可或缺的一部分,而方波也是其中比较有代表性的一个波形。设计任务和要求:要求：2) 了解集成电路和集成运放的基本知识； 1) 设计电路原理图并画出3) 学会使用仿真软件对电路进行仿真；设计并用分立元件和集成运算放大器制作能产生方波和三角波波形的波形发生器。基本指标： 输出频率分别为：102HZ、103HZ；输出电压峰峰值VPP20V1. 整体电路设计1）信号发生器:信号发生器又称信号源或振荡器。按信号

2、波形可分为正弦信号、函数（波形）信号、脉冲信号和随机信号发生器等四大类。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波。通过模拟电子技术设计的波形发生器是一个不需要外加输入信号，靠自身振荡产生信号的电路。 2）电路设计：整体电路由RC振荡电路，反相输入的滞回比较器和积分电路组成。理由：a）矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分； b）产生振荡，就是要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈； c）输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。RC振荡电路：即作为延迟环节，又作为反馈电路，通过RC充放电实现输出状态的自动转换。反相输入的滞回比较器：矩形波产生的重要组成部分。积分电路：将方波变为三角波。 3）整体电路框图：为实现方波，三角波的输出,先通过 RC振荡电路，反相输入的滞回比较器得到方波，方波的输出，是三角波的输入信号。三角波进入积分电路，得出的波形为所求的三角波。其电路的整体电路框图如图1所示： RC振荡电路积分电路方波三角波反相

3、输入的滞回比较器生成生成输入积分电路输入图14）单元电路设计及元器件选择a） 方波产生电路根据本实验的设计电路产生振荡，通过RC电路和滞回比较器时将产生幅值约为12V的方波，因为稳压管选择1N4742A（约12V）。电压比较电路用于比较模拟输入电压与设定参考电压的大小关系，比较的结果决定输出是高电平还是低电平。滞回比较器主要用来将信号与零电位进行比较，以决定输出电压。图3为一种滞回电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R3起限流作用，R2和R1构成正反馈，运算放大器当upun时工作在正饱和区，而当unup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，有根据翻转条件，令上式右方为零，得此时的输入电压Uth称为阈值电压。滞回电压比较器的直流传递特性如图4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

4、正饱和区，减小uin ，当uin= -Uth时，运放则开始进入负饱和区。 图3 滞回电压比较器图4 滞回电压比较器的直流传递特性如果给图3所示电路输入三角波电压，其幅值大于Uth ，设t = 0时，uo= -UZ ，其输出波形如图5所示。可见，输出为方波。图5 输入为三角波时滞回电压比较器的输出波形b）方波三角波发生电路给图3所示的滞回电压比较器级联一积分电路，再将积分器的输出作为比较器的输入，如图6所示。由于积分电路可将方波变为三角波，而比较器的输入又正好为三角波，因此可定性判断出，图6电路的输出电压uo1为方波，uo2为三角波，如图7所示。图6 方波三角波发生电路下面分析其振荡周期。积分器输出电压从-Uth增加到+Uth所需的时间为振荡周期T的一半，由积分器关系式或注意到，故振荡频率则为 图7方波三角波发生电路的输出波形c）元器件选择1）通用型集成单运放LM741CN电路所用的运放选用LM741CN,LM741CN的管脚图如图所示，其特点是电压适应范围较宽，可在518V范围内选用；具有很高的输入共模、差模电压，电压范围分别为15V和30V；内含频率补偿和过载、短路保护电路；可通过外

5、接电位器进行调零. 波形发生器用到得脚位为.6.7 脚位2：INV.INPUT 脚位3：NON-INV.INPUT 脚位4: V- 脚位6：OUTPUT 脚位7：V+图2 LM741管脚分布2）稳压二极管双稳压二极管的稳定电压根据方波幅值选取，由设计要求可取12伏特的稳压二极管,本次试验采用的1N4742A稳压二极管。3）电阻电阻R4根据双稳压二极管的最大电流确定,此处可取10 kW，其他电阻分别有10K电阻，120K电阻和25K电阻。4）电容电容C根据振荡频率要求确定，本次实验采用的100nF和10nF两种电容。5）由式,令R1=25KW,为达到所要求的频率,可求得三组值:当频率为100HZ时,R2=130KW R3=130KW C=10nF当频率为1000HZ时,R2=130KW R3=130KW C=100nF7）原件：元件数量元件数量LM741H2120K电阻210K电阻5104陶瓷电容125K电阻1103陶瓷电容11N4742A2单刀双掷开关1锡线若干8)系统的电路总图:4、仿真及仿真结果仿真是通过Multisim软件进行的。仿真电路测试过程：仿真频率为100HZ的方波和三角

6、波的波形图: （幅值足够）仿真频率为1000HZ的方波和三角波的波形图: 仿真数据表三角波U1方波U2100HZ峰-峰值/V25.44925.3821000HZ峰-峰值/V25.44279.295b通过闭合开关选择合适的电容使三角波的幅值和方波的频率满足指标要求；c观察示波器,波形稳定后记录数据。设计数据：方波幅值输出频率f1输出频率f2理论数据12V100HZ1000HZ仿真数据12.566V107HZ1000HZ实测数据11.911V101HZ998HZ6.误差分析：误差的来源主要有系统误差（固有误差）和偶然误差（随机误差）。而产生系统误差的原因有：仪器本身的缺陷、理论公式和测量方法的近似性、环境的改变和个人存在的不良测量习惯等。系统误差来源有工具误差、装置误差、人身误差、外界误差、方法误差等。偶然误差主要是某种未知的偶然因素对实验者、仪器、被测物理量的影响而产生的。本设计中，器件实际测量参数跟理论参数不吻合是引起误差的最大原因。如电路中的电阻R,它影响了输出电压的大小,如果R取合适值,三角波和方波输出波形不失真,而R出现少许改变的时候,会使输出电压和输出频率出现很大的误差.7.总结本设计作品的优点有如下几点：一.电路只有一个延迟环节,延迟时间短.二.由于积分电路引入了深度电压负反馈,所以在负载电阻相当大的变化范围里,三角波电压几乎不变.本设计作品的不足之处主要是：一.方波输出电压小于2Vcc是因为运放输出极有PNP型两种晶体组成复合互补对称电路输出方波时,两管轮流截止或饮和导通,由于导通时输出电阻的影响,使方波输出度小于电源电压值.二.受运放影响,三角波传输特性区线性度差容易引起失真.以后可能改进的方案：在电路上加上保护电路,在三角波输出端加上滤波网络改善输出波形.参考文献1、童诗白、华成英，模拟电子技术基础2、周誉昌、蒋力立，电工电子技术实验3、互联网相关文献4. 6 杨翠娥.高频电子线路实验与课程设计. 哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,20017 康华光模拟电子技术基础（第五版）北京：高等教育出版社，2006刘泉通信电子线路（第二版）武汉：武汉理工大学出版社，20052 谢自美电子线路设计实验测试（第三版）武汉：华中科技大学出版社，2006致谢

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