波形发生器的设计报告

华北科技学院

课程设计

课程名称： 模拟电子技术基础课程设计

题 目： 波形发生器的设计 学院名称： 华北科技学院 专业班级： 自动化B084班 指导老师： *** 学 号： ************ * 名： ***

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目录

一 设计要求--------------------------------------------2 二 设计的作用与目的--------------------------------2 三 波形发生器的设计--------------------------------2 1 波形发生器的系统概述-------------------------- 2 2 方波发生电路的原理与分析-------------------- 3 3 三角波发生电路的原理与分析----------------- 5 4 正弦波发生电路的原理与分析----------------- 6 5 参数的选择与计算-------------------------------- 8 6 仿真与结果分析----------------------------------- 9 7 PCB版电路制作-----------------------------------13 四 心得体会--------------------------------------------15 五 附录--------------------------------------------------16 六 参考文献---------------------------------------------17

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一、 设计要求

设计一台波形信号发生器，具体要求如下：

（1） 输出波形：方波、三角波、正弦波；

（2） 频率范围：1Hz——10Hz，10Hz——100Hz，100Hz—

—1KHz，1KHz——10KHz；

（3） 频率控制方式：通过改变RC时间常数手控信号频率； （4） 输出电压：方波Vp-p≤24V，三角波Vp-p=8V，正弦波

Vp-p＞1V。

二、 设计的作用、目的

1、掌握用集成运算放大器构成正弦波、方波、三角波函数发生器的设计方法。 2、学会安装与调试由分立元件与集成电路成的多级电子电路小系统。

三、 设计的具体实现

1、波形发生器的系统概述 （1）方案的简述

波形发生器是指能够输出方波、三角波、正弦波等多种电压波形的信号源。它可采用不同的电路形式和元器件来实现，具体可采用运算放大器和分立元件构成，也可用单片专用集成芯片设计。

根据设计的目的要求，需要用集成运算放大器构成波形发生器，故此处不考虑单片专用集成芯片设计。采用运算放大器和分立元件构成，有以下两种方案：

方案一：用正弦波振荡器实现多种波形发生器。

首先用正弦波振荡器产生正弦波输出，正弦波信号通过比较器得到方波输出，方波信号再通过积分器得到三角波输出。该方案用RC串并联振荡器产生正弦波，串并联网络做为选频网络和正

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华北科技学院课程设计 反馈网络。它的振动频率为f=1／2πRC，改变RC值，则可改变正弦波的输出频率。为了使输出电压稳定，必须采用稳幅的措施。

其系统框图如图1。 正弦波振荡器比较器 积分器 正弦波 方波 三角波 图1 方案一的系统框图

方案二：用多谐振荡器实现多种波形发生器。

由比较器和积分器组成方波——三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，再将三角波变换为正弦波。三角波——正弦波转换可用滤波法、折线逼近法、差分放大器等方法来实现。

考虑到差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强等优点。特别是作为直流放大器时，能有效地抑制零点漂移，可将频率很低的三角波变换成正弦波。因此采用差分放大器将三角波转换成正弦波。

其系统框图如图2。

比较器 方波 积分器 三角波 差分放大器 正弦波 图2 方案二的系统框图

（2）方案的选择

综合比较这两种方案，方案（1）中频率的频段的选择和调节，需同时改变正弦波振荡电路和积分电路中的电阻和电容，调整复杂。方案（2）中变换为正弦波时，正弦波非线性失真较大，对差动放大电路要求较高。由于本课程设计对正弦波非线性失真

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华北科技学院课程设计 没有具体要求，而对输出波频率要求较高，故选用方案（2）。

2、方波发生电路的原理与分析

此电路可在矩形波发生电路的基础上得到。矩形波发生电路由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充、放电实现输出状态的自动转换。由于滞回比较器的输出只有两种可能的状态：高电平和低电平。两种不同的输出电平时RC电路进行充电或放电，于是电容上的电压将升高或降低，而电容上的电压由作为滞回比较器的输入电压控制其输出端状态发生跳变，从而使RC电路有充电过程变为放点过程或相反。如此循环往复，周而复始，电路产生了自

激振荡。

方波发生电路中运算放大器接成同相输入滞回比较器形式，由这一端口反馈引入三角波信号，触发滞回比较器自动翻转形成方波信号，方波信号从运算放放大器输出端输出。其电路如图3所示。

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图3 方波发生电路原理图

如图3，运算发大器U1与R1、R2及R3、RP1组成电压比较器，由A端接入三角波信号，运放U1接成同相输入滞回比较器形式，触发滞回比较器自动翻转形成方波信号，方波信号从B端输出。运放的反相端接基准电压，即U-=0，同相输入端接输入电压Uia，R1称为平衡电阻。比较器的输出Uo1的高电平等于正电源电压+Vcc，低电平等于负电源电压-Vee（|+Vcc|=|-Vee|）, 当比较器的U+=U-=0时，比较器翻转，输出Uo1从高电平跳到低

电平-Vee,或者从低电平Vee跳到高电平Vcc。设Uo1=+Vcc,则： UR3RPR21(VCC)Uia0 (1)

R2R3RPR2R3RP11将上式整理，得比较器翻转的下门限单位Uia-为： UiaR2R2(VCC)VCC （2）

R3RPRRP131 - 6 -

华北科技学院课程设计 若Uo1=-Vee,则比较器翻转的上门限电位Uia+为 UiaR2R2(VEE)VCC （3）

R3RPR3RP11R2ICC （4）

R3RP1比较器的门限宽度：UHUiaUia2稳压管D1、D2对接，起到正负向输出的双向限幅作用。

3、三角波发生电路的原理与分析

在产生方波之后，利用此波形输入到一个积分电路便可得到

三角波。由于三角波发生信号是电容充放电过程形成的指数曲线，所以线性度较差。为了能够得到线性度更好的三角波，可以将运和几个电阻、电容构成积分电路。

考虑到课程设计要求的四个频率段，故选用四分开关来调节电容。其电路如图4：

图4 三角波发生电路原理图

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华北科技学院课程设计 UO1VCC时，UO2(VCC)VCCtt （5）

(R4RP2)C2(R4RP2)C2VCC(VEE)tt （6）

(R4RP2)C2(R4RP2)C2UO1VEE时，UO2可见积分器的输入为方波时，输出是一个上升速度与下降速度相

等的三角波。比较器与积分器首尾相连，形成闭环电路，则自动产生方波-三角波。三角波的幅度为：

UO2mR2VCC （7）

R3RP1R3RP1 （8）

4R2(R4RP2)C2方波-三角波的频率f为：f4、正弦波发生电路的原理与分析

其电路原理如图5：

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图5 正弦波发生电路原理图

在三角波产生电路的积分电路中,有C端输入三角波，由D端输出正弦波。如图，RP3调节三角波的幅度，RP4调节差分放大电路的对称性，其并联R9用来减小差分放大电路的线性区，电容C5，C6，C8为隔直电容由于输出频率较低，所以其容量一般较大。C7为滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形，差分放大器的静态工作点可通过观测传输型曲线，调整RP4和电阻R8确定。

差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。分析表明，传输特性曲线的

aI0表达式为：IC2aIE2 （9）

1eUid/UT式中 aIC/IE1

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华北科技学院课程设计 I0——差分放大器的恒定电流；

UT——温度的电压当量，当室温为25oc时，UT≈26mV。

如果Uid为三角波，设表达式为

4UmTTt4Uid 4Umt3T4TT0t2 （10）  TtT2式中 Um——三角波的幅度；

T——三角波的周期。

为使输出波形更接近正弦波，传输特性曲线越对称，线性区越窄越好；三角波的幅度Um应正好使晶体管接近饱和区或截止区。

5、参数的选择与计算

（1）方波发生电路的参数选择与计算 由课题要求方波Vp-p≤24V。而方波的输出幅度约为Vcc,所以Vcc=Vp-p∕2≤12V，选用Vcc=12V符合要求。 根据式（7）可得： UO2mR2VCC （11）

R3RP1 由课题要求三角波Vp-p=8V，故：

UR241O2m （12）

R3RPV1231CC取R210K，则R3RP130K，取R320K ，RP1为20KΩ的滑动变阻器。

R1=R2／(R3+Rp1)=7.5KΩ。

因为输出方波峰—峰值VP-P≤24V，故取两个IN4743稳压

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华北科技学院课程设计 管，起到正反向输出的双向限副作用。

通过查集成运放器件资料，选用双电源供电通用性单运放uA741，它具有功耗低，高性能内补偿的特点，且价格便宜，在分立元件集成电路中较为常见。

（2）三角波发生电路的参数选择与计算

由式（8）得：R4+Rp2=（R3+Rp1）／4fCR2 （13）

R4RP2(75~7.5)k，当 1HZf10时，取C210F，

取R4=7.5KΩ，则RP2为100KΩ滑动变阻器。当10HZf100时 ，取C21F以实现频率波段的转换，R4及RP2的取值不变。故C1、C2、C3、C4依次取10uF、1uF、0.1uF、0.01uF。

取平衡电阻R5=15 KΩ。

（3）正弦波生成电路的参数选择与计算

将三角波型号转化为正弦波信号，传输特性曲线越对称，线性区越好三角波的幅值Upp应正好是晶体管结晶饱和区和截止区。差分放大电路的4只晶体管选用晶体管2N3020，电路中晶体管放大倍数β1=β2=β3=β4=60，电源电压取+Vcc=12V，-Vcc=-12V。

R9=100欧与RP4=100欧姆相并联，以减小差分放大器的线性区。差分放大器的静态工作点可通过观测传输特性曲线，调整RP4及电阻R8确定。

隔直电容C5、C6、C8要取得较大，因为输出频率很低，取C5=C6=C8=470 uF。

滤波电容C6视输出的波形而定，若含高次斜波成分较多，C6可取得较小，C6一般为几十皮法至0.1微法。这里取C6=0.1μF。

6、仿真与结果分析

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华北科技学院课程设计 本课程设计应用Multisim10.0软件对电路进行了仿真；并对结果进行了分析。

（1） 方波——三角波仿真结果与分析 由于方波与三角波是相互转换的，所以将二者合起来连线仿 真，其仿真电路如图6。为便于分析结果，将Rp2调至0℅，示波器显示如图7。

Key = Space0R17.5k¦¸122637S134C2C110uF61uFC3V112 V 144190114V312 V 8U15R47.5k¦¸D11N4743A16D21N4743A050%7Rp267.5k¦¸50%9Key=AC4100nFU26210nF15157413715R210k¦¸0R320kΩV212 V 20kΩKey=A10Rp1R515k¦¸V4012 V 18741XSC1GT0ABCD13 图6 方波——三角波电路仿真电路图 - 12 -

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图7 方波仿真波形图

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图8 三角波仿真波形图 结果分析如下：

①波形分析：观察波形，生成了方波和正弦波，且无明显失真，波形符合要求。

②幅值分析：由示波器读数可知：

方波Vp-p=22.233V≤24V，符合题设要求； 三角波Vp-p=7.341V≈8V，大致符合要求。可以通过调节Rp1，来改变Vp-p，使其更接近8V。

③频率分析：此次仿真中，单刀四掷开关S1掷于10uF处，Rp2调至0℅，即R4+Rp2=7.5 KΩ。由式（8）计算得：f=10 Hz； 由示波器可读的T／2=50.642 ms，即f=9.9Hz≈10 Hz。二者基本相等，说明频率与理论计算大致相同，符合。

（2）正弦波仿真结果与分析

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华北科技学院课程设计 用所计算和选择的参数连接正弦波发生电路图9，得到仿真结果如图10。

XFG1V51312 V R720kΩ4C6C5470uF470uF23R66.8kΩQ1Q212C7100nFR820kΩ016C8470uF01Rp350%2N3020R95100kΩ62N302011R106.8kΩ47kΩKey=AXSC1GTABCD50%Rp4100kΩKey=A10R138kΩ7Q3Q40V612 V 1482N3020R112kΩ152N30209R122kΩ 图9 正弦波仿真电路图

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图10 正弦波发生电路仿真波形图

结果分析：观察可知，波形为正弦波，符合要求。由示波器窗口可读到Vp-p=6.360V＞1V，也符合课题要求。

（3）整体仿真结果

整体电路见附录二，其仿真结果如图11。

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图11 整体电路仿真结果

7、PCB版电路制作

制作的操作流程图如图12：

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华北科技学院课程设计 开始 设计与绘之原理图 生成网络表 PCB系统设置 自动布线 设置PCB规则 修改封装与布局 引入网络表 手工调整布线 存盘打印 结束 图12 PCB版流程图

a. 据原理图生成网络表，这部分PROTEL99是自动进行的，只需要用户单击“create Netlist”即可；

b. 网络表有也是原理图与印制电路板的接口； c. 规划电路板的结构，即确定电路板的框架，设置系统参数； d. 引入第二步生成的网络表和零件封装，让原理图与印制电路板连接起来；

e. 引入网络表后系统将根据规则对零件自动布局进行飞线； f. 修改封装与布局，这是自动布线的前提；

g. Protel 99 SE自动布线比较完善，它采用最先进的无网络技术。基于形状的对角线自动布线技术；

h. 自动布线后，如果有不满的地方，我们可以进行手工调整； i. 存盘并打印； j. 结束。

根据设计要求设计电路原理图,并完成原理图的绘制，得到PCB版如图13。

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