多種波形發(fā)生器的設(shè)計與制作

1、課題三 多種波形發(fā)生器的設(shè)計與制作方波、三角波、脈沖波、鋸齒波等非正弦電振蕩信號是儀器儀表、電子測量中最常用的波形，產(chǎn)生這些波形的方法較多。本課題要求設(shè)計的多種波形發(fā)生器是一種環(huán)形的波形發(fā)生器，方波、三角波、脈沖波、鋸齒波互相依存。電路中應(yīng)用到模擬電路中的積分電路、過零比較器、直流電平移位電路和鋸齒波發(fā)生器等典型電路。通過對本課題的設(shè)計與制作，可進(jìn)一步熟悉集成運(yùn)算放大器的應(yīng)用及電路的調(diào)試方法，提高對電子技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用能力。1、 設(shè)計任務(wù)設(shè)計并制作一個環(huán)形的多種波形發(fā)生器，能同時產(chǎn)生方波、三角波、脈沖波和鋸齒波，它們的時序關(guān)系及幅值要求如圖3-3-1所示。 圖3-3-1 波形圖設(shè)計要求： 四種波

2、形的周期及時序關(guān)系滿足圖3-3-1的要求，周期誤差不超過。 四種波形的幅值要求如圖3-3-1所示，幅值誤差不超過。 只允許采用通用器件，如集成運(yùn)放，選用F741。要求完成單元電路的選擇及參數(shù)設(shè)計，系統(tǒng)調(diào)試方案的選取及綜合調(diào)試。2、 設(shè)計方案的選擇由給定的四種波形的時序關(guān)系看：方波決定三角波，三角波決定脈沖波，脈沖波決定鋸齒波，而鋸齒波又決定方波。屬于環(huán)形多種波形發(fā)生器，原理框圖可用3-3-2表示。 圖3-3-2 多種波形發(fā)生器的方框圖仔細(xì)研究時序圖可以看出，方波的電平突變發(fā)生在鋸齒波過零時刻，當(dāng)鋸齒波的正程過零時，方波由高電平跳變?yōu)榈碗娖剑史讲òl(fā)生電路可由鋸齒波經(jīng)一個反相型過零比較器來實(shí)現(xiàn)。

3、三角波可由方波通過積分電路來實(shí)現(xiàn)，選用一個積分電路來完成。圖中的uB電平顯然上移了+1V，故在積分電路之后應(yīng)接一個直流電平移位電路，才能獲得符合要求的uB波形。脈沖波的電平突變發(fā)生在三角波uB的過零時刻，三角波由高電平下降至零電位時，脈沖波由高電平實(shí)跳為低電平，故可用一個同相型過零比較器來實(shí)現(xiàn)。鋸齒波波形仍是脈沖波波形對時間的積分，只不過正程和逆程積分時常數(shù)不同，可利用二極管作為開關(guān)，組成一個鋸齒波發(fā)生電路。由上，可進(jìn)一步將圖3-3-2的方框圖進(jìn)一步具體化，如圖3-3-3所示。圖3-3-3 多種波形發(fā)生器實(shí)際框圖器件選擇，設(shè)計要求中規(guī)定只能選用通用器件，由于波形均有正、負(fù)電平，應(yīng)選擇由正、負(fù)電

4、源供電的集成運(yùn)放來完成，考慮到重復(fù)頻率為100Hz(10ms),故選用通用型運(yùn)放F741（F007）或四運(yùn)放F324均可滿足要求。本設(shè)計選用F741。其管腳排列及功能見附錄三之三。3、 單元電路參數(shù)設(shè)計（1）方波產(chǎn)生電路反相型過零比較器 選擇電路如圖3-3-4所示。圖中，A1工作于開環(huán)，R1為運(yùn)放輸入端保護(hù)電阻取R1=10K，R2為穩(wěn)壓二極管的限流電阻，取值一般在（13）K之間，取R2=1K。因UA幅值為5V，故輸出端接兩只穩(wěn)壓二極管使輸出高、低電平在5V左右，查晶體管手冊，選用穩(wěn)壓二極管為2CW53（UZ=4.05.8V）兩只。必要時可通過晶體管圖示儀進(jìn)行挑選，以滿足幅值要求。 圖3-3-4

5、 反相型過零比較器電路（2）三角波產(chǎn)生電路基本積分電路選擇電路如圖3-3-5所示，圖中與C1并聯(lián)的1M電阻主要是為了減小積分漂移，取值應(yīng)大于R3。 圖3-3-5 積分電路由波形圖知，當(dāng)uA為高電平5V，經(jīng)過積分電路在5ms時間內(nèi)，應(yīng)下降4V，故參數(shù)計算如下：由積分電路知：*UA*=UBm, 即50.005=4 w 得 R3C1=6.2510s取C1=0.1uF , 則 R3=62500 取R3=62K，R4=R3=62 KUB的波形如圖3-3-6。圖3-3-6 積分電路輸出波形圖（3）直流電平移位電路 將圖3-3-6的UB波形與圖3-3-1的UB波形比較，為了得到UB的波形，必須將UB波形上移

6、3V，由直流電平移位電路來實(shí)現(xiàn)，如圖3-3-7所示。 圖3-3-7 直流電平移位電路若取R5=10K, Rp1=10K時，A3的腳為零電平，調(diào)Rp1活動端使RP1減小，電平上升。由于C2的隔直作用，只需將腳電平設(shè)置在+1V，與UB疊加。A3為電壓跟隨器，UB與腳波形相同。由上，取R5=10K，RP1為10K電位器，C1取10uF。（4）脈沖波電路設(shè)計同相型過零比較器選擇電路如圖3-3-8所示。圖中，取R6=10K，R7=1K，當(dāng)uB>0V,A4的腳輸出高電平，D1、D2導(dǎo)通并鉗位，若取兩只硅二極管串取，可得uC=1.4V。若UB<0,腳輸出低電平接近-Vcc，D1、D2截止，穩(wěn)壓管

7、穩(wěn)壓為-5V。取穩(wěn)壓管為2CW53、二極管為2CP10。 圖3-3-8 脈沖波形成電路（5）鋸齒波發(fā)生器積分電路由上所述，由于uD的正程和逆程斜率不同，即積分電路充、放電時常數(shù)不等。故對uC為高、低不同電平時，采用二極管隔離輸入回路。如圖3-3-9所示。 圖3-3-9 鋸齒波發(fā)生電路工作原理如下：當(dāng)uC=1.4V>0時，D3導(dǎo)通，D4截止，忽略二極管導(dǎo)通時的動態(tài)電阻，積分時常數(shù)為=R8C3，形成鋸齒波的逆程。當(dāng)uC=-5V<0時，D3截止，D4導(dǎo)通。積分常數(shù)R9C3，形成鋸齒波的逆程。電路參數(shù)計算：首先要算出脈沖波高電平和低電平的時間軸，由圖3-3-1，uB由3V下降至0V的時間為

8、uC高電平的半個周期。這時鋸齒波uD由0V積分到-3V，若此時為t1,由相似三角形知識可以算得t1=3.75ms，同樣可以算得uC由低電平變?yōu)楦唠娖降臅r間t2為6.25ms,uC再次變?yōu)榈碗娖綍r間為13.75ms,如圖3-3-10所示。圖3-3-10 UC時序圖取C3=1uF，則鋸齒波正程有：（6.253.75）10=6 即 52.510=6由上及 R9=20.8310 取R9=20K鋸齒波逆程：UC（13.756.25）10=6 即=6得R8=17.5×10 取R8=18K由于同時只有一個電阻導(dǎo)通，故 R10=18K（或20K），為了減小二極管死區(qū)電壓，D3、D4直流壓降要小，故D

9、3、D4選鍺二極管2AP10。4、 總電路圖將各單元電路串聯(lián)，得到本課題的總電路圖如圖3-3-11所示。 圖3-3-11 多種波形發(fā)生器總電路圖5、 實(shí)驗(yàn)與調(diào)試（1）本系統(tǒng)可采取逐級安裝調(diào)試方法，待各級調(diào)試均正常后再接成閉環(huán)形式。原則上從哪一級開始安排調(diào)試均可，但開環(huán)時必須由函數(shù)信號發(fā)生器外加激勵信號。研究這四種波形，只有選用UA作為外加信號，先從三角波發(fā)生電路開始最為方便。為了滿足各種波形的時序、周期、幅值要求，每一級調(diào)試的工作量均較大。（2）三角波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試 按圖3-3-5電路參數(shù)安裝無誤，接通12V直流電源，首先對該電路調(diào)零，方法是將uA端接地，萬用表直流電壓接A2的腳到地，調(diào)

10、RW1活動端，看u0是否變化。若u0幅值較大，或始終為零，或某一固定值，應(yīng)檢查電路連接是否正確，同相與反相輸入端是否接反等。由于1M電阻的并接，靜態(tài)時A2工作在閉環(huán)（負(fù)反饋）狀態(tài)，、腳電位差應(yīng)該很小，可通過測量來檢查。若電路正常，調(diào)RW1活動端使u0的絕對值逐步減小，同時更換萬用表電壓檔，直至最低檔時，u0=0，調(diào)零完成。 拆除UA端口的短路線，接入函數(shù)信號發(fā)生器，輸入周期為10ms，幅值為5V的方波信號，并用示波器嚴(yán)格測量并監(jiān)視。示波器另一輸入觀察積分電路輸出信號，若打到AC輸入方式，應(yīng)看到周期10ms、幅值為2V的三角波。若幅值大于或小于2V，說明設(shè)定的時常數(shù)實(shí)際值與理論值不符，應(yīng)該變R3

11、阻值或C1的電容值，一般采取改變電阻的方式比較方便。若幅值低于2V，應(yīng)減小R3，反之，應(yīng)加大R3值，直至達(dá)到設(shè)要求為止。（3）直流電平移位電路的安裝與調(diào)試 按圖3-3-6安裝好移位電路，接通A2、A3電路電源，示波器觀察UB輸出波形正常后通過C2接入A3同相輸入端，示波器輸入方式改為DC，觀察A3腳輸出波形UB，調(diào)電位器RP1的活動端可以看到uB波形電平上移，直至達(dá)到+3V，-1V為止。（4）脈沖波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試按圖3-3-7電路安裝好脈沖波發(fā)生電路，通電后輸入uB波形，示波器觀察uC端，一般周期不會明顯變化，但幅值肯定存在誤差，如正幅值不可能為+14V，但只要D1、D2為硅二極管，誤差

12、不應(yīng)太大。負(fù)電平取決于DZ2的穩(wěn)壓值。若誤差過大超出設(shè)計要求（5.54.5）V,應(yīng)更換穩(wěn)壓二極管，直至達(dá)到設(shè)計要求。（5）鋸齒波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試 按圖3-3-8電路及參數(shù)安裝無誤，接通電源并對A5進(jìn)行調(diào)零。輸入應(yīng)短路A5的腳而不是uC端，否則輸入端實(shí)際上是開路。調(diào)零后接入uC波形，并確認(rèn)uB，uB、uC波形沒有變化，示波器接uD端，仔細(xì)觀察鋸齒波波形，若時序與圖3-3-1的uD波形有差異，應(yīng)精心調(diào)整R8，R9，直至達(dá)到對uD的規(guī)范要求。（6）方波發(fā)生電路的安裝與調(diào)試按圖3-3-4安裝好過零比較器，接通電源后接入uD波形，示波器觀測uA波形，并檢查方波的周期和幅值，若幅值與5V相差較大，應(yīng)更

13、換uZ1。（7）閉環(huán)將A1的輸出UA端接A2的輸入端，完成環(huán)形多種波形發(fā)生器的最后連接。切除由函數(shù)信號發(fā)生器提供的激勵信號，各級應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)輸出正常。用示波器逐級測量各波形的周期、幅值。并記錄。分析是否達(dá)到設(shè)計要求。本電路的缺點(diǎn)是重新啟動不可靠，往往要一個方波信號源從u端激勵一下。但通過本課題的設(shè)計，安裝和調(diào)試，對集成運(yùn)算放大器的典型應(yīng)用電路的了解和調(diào)試技能的提高有較大的幫助作用。、元器件清單 序 號名 稱符 號規(guī)格型號數(shù) 量1電阻R2、R70.125W 1K22電阻R1、R5、R60.125W 10K33電阻R8、R100.125W 18K24電阻R90.125W 20K15電阻R3、R40.125W 62K26電阻0.125W 1M27電容C1、C30.1uF28電容C2CA 10uF 16V19電位器RW1、RW2、RP110K310硅二極管D1、D22CP10211鍺二極管D3 、 D42AP10212穩(wěn)壓二極管DZ1、 DZ22CW53413集成運(yùn)算放大器A1A2F741C(或F007)57、設(shè)計任務(wù) 分析本課題的設(shè)計內(nèi)容，并對設(shè)計方案進(jìn)行評價，畫出設(shè)計方案的方框圖。 對各單元電路再進(jìn)行一次理論設(shè)計，包括元器件的選擇、電路參數(shù)的設(shè)計等。 畫出總電路圖，并說明電路及系統(tǒng)的工作原理。 設(shè)計調(diào)試方案，選擇測量儀器，列出調(diào)試步驟。