方波-正弦波-锯齿波函数信号发生器

《模拟电子技术基础》 课程设计

方波—三角波—正弦波函数信号发生器 1 设计要求 1.设计、组装、调试方波、三角波、正弦波发生器。 2.输出波形:方波、三角波、正弦波;锯齿波 3.频率范围 :在 0.02-20KHz 范围内且连续可调 ;

1

2.方波、三角波、正弦波发生器方案与论证 原理框图

电压比较器 RC 充放电反馈回路 占空比可调 方波 矩形波 积分电路 锯齿波

积 分 电 路
三角波 低频滤波 正弦波

比例放大电路,得到需要幅值;峰峰 值的信号波

图 1 方波、三角波、正弦波、锯齿波信号发生器的原理框 图 该发生器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,即可组成矩形波信号发生器。然后经过积分电路产生三角波,通过改 变方波的占空比不仅可以得到锯齿波,还可得到额外的矩形波。三角波通 过低通滤波电路来实现正弦波的输出。然后将各种信号通过比例放大电路 得到需要幅值;峰峰值的信号波 3.各组成部分的工作原理

2

3.1 方波发生电路的工作原理
R 10kΩ U1 3 2 1 OPAMP_3T_VIRTUAL C1 1uF R2 R1 1kΩ GND GND 1kΩ 5 D1 1N4680 R3 1kΩ D2 1N4680 4

图 2 方波信号发生原理 此电路由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成。 回路既作为延迟环 RC 节,又作为反馈网络,通过 RC 充、放电实现输出状态的自动转换。设某一 时刻输出电压+Uz,,此时滞回电压比较器的门限电压为 UTH2。 输出信号通过 R 对电容 C1正向充电, 充电波形如图 3 箭头所示。 当该电压上升到 U
充放电波形

TH2 时,电路的输出电压变为-UZ,门限电压也随之变为 UTH1,电容 C1 经 电阻 R 放电。当该电压下降到UTH1时输出电压又回到+Uz,电容又开始正 相充电。上述过程周而复始,电路产生了自激振荡。
UTH2

O

UTH1

3

图3 方波信号发生波形 3.2 方波--三角波转换电路的工作原理 1.电路的组成

4 R1 510Ω R2 100kΩ U1 1 R3 1kΩ OPAMP_3T_VIRTUAL 8 R8 10kΩ GND 2 3 R4 1kΩ D2 1N5231B D1 1N5231B GND R 100kΩ OPAMP_3T_VIRTUAL 7 6 RP1 20kΩ 50% Key=B C1 10 1uF R6 1kΩ

U2

5

图 4 积分电路产生三角波

4

根据 RC 积分电路输入和输出信号波形的关系可知,当RC积分电路的 输入信号为方波时,输出信号就是三角波,由此可得,利用方波信号发生 器和RC积分电路就可以组成三角波信号发生器。如图4 该电路的工作原理是:方波信号发生器输出的方波输入积分电路,在积 分电路的输出端得到三角波信号。积分电路的输出端除了输出三角波信号 外,还通过电阻R1.Rp1 将三角波信号反馈到滞回电压比较器的输入端, 将三角波信号整形变成方波信号输出。该电路工作波形图如图5

图5 三角波 3.3 三角波--正弦波转换电路的工作原理

图 6 三角波产生正弦波原理图 原理:采用低通滤波的方法将三角波变换为正弦波。

5

图7

正弦波

3.4 方波—锯齿波转换电路的工作原理
R2 510Ω R10 20kΩ 50% Key=B R12 6 R6 12 C1 10kΩ 1uF U2 15 D2 1N4680 D1 1N4680 R7 10kΩ GND 7 OPAMP_3T_VIRTUAL R5 100kΩ 14 13

D4

1kΩ 1N4154 50% Key=A D3 8 19 R4 100kΩ U1 1 R3 1kΩ OPAMP_3T_VIRTUAL 2 16 1N4154

图 8 锯齿波产生原理图 三角波信号的特征是波形上升和下降的斜率相同,当波形上升和下降的 斜率不同时,三角波就转化成锯齿波。根据这个特征,只要将图 4 的电路 中的积分电路改成时间常数随方波输出极性而变化的电路,即可组成锯齿 波信号发生器。图7中的二极管 D3 和 D4 的作用是改变积分电路的时间常 数, 当输入为+Uz 时, 导通, 断开, D3 D4 积分电路的时间常数为 R(8 到 12)C 1;当输入为-Uz 时,D3 断,D4 通,积分电路的时间常数为 R(6 到12)C
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1.可得 T=t1+t2=2(R4+R5)R1C1/R2 波形图如图9

图9 3.5 总电路图
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锯齿波

Rp3 13 Rp2 20kΩ 50% Rp1Key=B 6 R5 12 C1 10kΩ 14 1uF U2 15 D2 1N4680 D1 1N4680 7 OPAMP_3T_VIRTUAL R 100kΩ GND GND R6 510Ω C4 4.7uF 4 R7 510Ω C2 2.2uF C3 2.2uF 500kΩ 50% Key=C
S1 5

510Ω

D4

R9
Key = Space

10

U3

17

1kΩ 1N4154 50% Key=A D3 8 19 R2 100kΩ U1 1 R3 1kΩ OPAMP_3T_VIRTUAL 2 16 R4 10kΩ 1N4154

2kΩ

3 OPAMP_3T_VIRTUAL 11 R8 10kΩ

图9 总电路图 图中 S1 开关可实现各种波形切换, 滑动变阻器 Rp2 可实现不同频率调节, 调节 Rp1 可实现方波占空比的调节,最主要的是可将三角波转换为锯齿波, 调节 Rp3可调节输出波形不同的幅值。

7

4.用 Multisim10 电路仿真 4.1 输出方波电路的仿真 用 Multisim10 电路仿真软件进行仿真。从 Multisim10 仿真元件库中 调出所需元件,按电路图接好线路,方波输出端接一个虚拟的示波器,接 通电源后,将 S1 开关打到方波信号线档,可得如图 10 所示的输出方波仿 真图。

图 10 输出方波电路的仿真 4.2 三角波电路的仿真 方法同输出方波电路的仿真方法,将 S1 开关打到三角波信号线档即可 得图 11 所示的方波转三角波波形仿真图。

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图 11 输出三角波电路的仿真 4.3 正弦波电路的仿真 方法同输出方波电路的仿真方法,将 S1 开关打到正弦波信号线档即可 得图 12 所示的正弦波波形仿真图。

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图 13 输出正弦波电路的仿真 4.4 锯齿波电路的仿真 方法同输出方波电路的仿真方法,将 S1 开关打到三角波信号线档,调 节可调电阻 Rp1,最好是 0%或 100%即可得图 14 所示的锯齿波波形仿真图。

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图 14 输出锯齿波电路的仿真 5 结论与心得 通过对函数信号发生器的设计,我深刻认识到了“理论联系实际”的 这句话的重要性与真实性。我不但知道了以前不知道的理论知识,而且也 巩固了以前知道的知识。最重要的是在实践中理解了书本上的知识,明白 了学以致用的真谛。也明白老师要求我们做好这个课程设计的原因。他是 为了教会我们如何运用所学的知识去解决实际的问题,提高我们的动手能 力。在整个设计到电路的焊接以及调试过程中,调试部分是最难的,而参 数的调试是一个经验的积累过程,没有经验是不可能在短时间内将其完成 的,而这个可能也是老师要求我们加以提高的一个重要方面吧! 在实验过程中,我遇到了不少的问题。比如:波形失真,甚至不出波
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形这样的问题。在同学的帮助下,把问题一一解决,那种心情别提有多高 兴啦。当然,我们也有很多不足的地方,最后用一句话来结束吧: “实践是 检验真理的唯一标准” 。 6.仪器仪表 电阻 0.51K? 三个, 1K?一个, 2K?一个, 10K?三个, 100K?两个
滑动变阻器 1K?一个,20 K?一个,500 K? 4.7uF 一个, 2.2uF2 个,1uF 一个 一个,芯片 LM324N 一个,电容

开关一个,单刀四掷开关一个,普通二极管两个,稳压二极管两个。

7.参考文献 1.童诗白,华成英,模拟电子技术基础(第四版) 北京:高等教育出版 社 2.陈利永 电子技术基础 [M]北京.北京邮电大学出版社

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