(完整word版)電路CAD課程設(shè)計(jì)波形發(fā)生器

1、電路 CAD 課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目波形發(fā)生器學(xué)生姓名學(xué)號(hào)學(xué)院專業(yè)指導(dǎo)教師2011 年12月18日摘要波形發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、 三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電壓或儀器。 根據(jù)用途不同， 有產(chǎn)生三種或多種波形的波形發(fā)生器， 使用的器件可以是分立器件， 也可以采用集成電路。本次波形發(fā)生器設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生方波和三角波， 矩形波發(fā)生電路是其它非正弦發(fā)生電路的基礎(chǔ)， 當(dāng)方波電壓加在積分運(yùn)算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換， 所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩?/p>

2、出狀態(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化， 即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。關(guān)鍵詞：波形發(fā)生器，三角波，方波，電路原理圖，PCB 圖- 1 -目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求.31.1設(shè)計(jì)要求 . .31.2設(shè)計(jì)任務(wù) . .32方案選擇 .33單元電路設(shè)計(jì) .53.1矩形波發(fā)生器電路 .53.2三角波發(fā)生器電路 . .63.3電源電路 . .63.4單元電路計(jì)算 . .74電路板圖設(shè)計(jì) .104.1總原理圖 .105設(shè)計(jì)結(jié)論 146參考文獻(xiàn) .14- 2 -波形發(fā)生器1、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求1.1 設(shè)計(jì)要求 ：f o = 5 kHz 的方波，使用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)波形發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)頻

3、率為其電壓幅度為Vs= | Vs|=14V。同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率為f o= 5kHz的三角波，其Vt+Vt|=5V。波形發(fā)生器方框圖見圖（圖1）。幅度為+ =|方波發(fā)生器電路三角波發(fā)生器電路電源電路1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)：波形發(fā)生器方框圖方波發(fā)生器設(shè)計(jì)；三角波發(fā)生器設(shè)計(jì)；電源電路設(shè)計(jì)。2、方案選擇波形發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、 三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電壓或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的波形發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件 （如視頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器 S101全部采用晶體管），也可以采用集成電路（如單片函數(shù)發(fā)生器模塊 5G8038）。本次波形發(fā)生器設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生方波和三角波，

4、 矩形波發(fā)生電路是其它非正弦發(fā)生電路的基礎(chǔ)， 當(dāng)方波電壓加在積分運(yùn)算電路的輸入端是， 輸出就獲得三角波電壓。 而矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋； 因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化， 即產(chǎn)生周期性變化， 所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。系統(tǒng)原理框圖如下示：模擬電路實(shí)現(xiàn)方案- 3 -用正弦波發(fā)生器產(chǎn)生正弦波信號(hào)， 然后用過零比較器產(chǎn)生方波， 再經(jīng)積分電路產(chǎn)生三角波，電路框圖如上示。 此電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 且有良好的正弦波和方波信號(hào)。但經(jīng)過積分電路產(chǎn)生同步三角

5、波信號(hào)， 存在難度。原因是積分器電路的積分時(shí)間常數(shù)是不變的， 且隨著方波信號(hào)頻率的改變， 積分電路輸出的三角波的幅度同時(shí)改變。若要同時(shí)保持三角波的輸出幅度不變， 須同時(shí)改變積分時(shí)間常數(shù)的大小。系統(tǒng)原理框圖如下示：方波發(fā)生器電路三角波發(fā)生器電路電源電路波形發(fā)生器方框圖若用運(yùn)放完成，則選定用比較器，比較器器有好多種，比如單限比較器，滯回比較器，窗口比較器等等。雖然單限比較器很靈敏，但是抗干擾能力差。滯回比較器具有滯回特性，即具有慣性， 因而也就是具有一定的抗干擾能力。 從而選擇滯回比較器。由于本次波形發(fā)生器設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生方波和三角波， 矩形波發(fā)生電路是其它非正弦發(fā)生電路的基礎(chǔ)， 當(dāng)方波電壓加在積分運(yùn)

6、算電路的輸入端是， 輸出就獲得三角波電壓。而矩形波電壓只有兩種狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分； 因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩， 就要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋； 因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化， 即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。3 . 單元電路設(shè)計(jì)3.1 矩形波發(fā)生器電路矩形波發(fā)生電路是其它非正弦發(fā)生電路的基礎(chǔ)，當(dāng)方波電壓加在積分運(yùn)算電路的輸入端是，輸出就獲得三角波電壓。 而矩形波電壓只有兩種狀態(tài)， 不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就要求輸出的兩種狀態(tài)自動(dòng)地相互轉(zhuǎn)換，

7、所以電路中必須引入反饋； 因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時(shí)間間隔交替變化， 即產(chǎn)生周期性變化， 所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)維持的時(shí)間。下圖是矩形發(fā)生器電路，它由反相輸入的滯回比較器和 RC電路組成。 RC 回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過 RC充，放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。- 4 -矩形發(fā)生電路原理：將輸出電壓 U0 經(jīng)過 RC 積分電路，利用電容的充放電電壓取代外加輸入信號(hào)送入比較器反相端， 與同相端上的門限電壓相比較， 使比較器的輸出不斷發(fā)生轉(zhuǎn)化，從而形成高低電平周期性交替的矩形振蕩波形。接通電源的瞬間，電容 C 的初始電壓為 0，電路輸出電壓 U0 使高電平或者低電平是隨機(jī)的

8、，假設(shè)輸出電壓為高電平U0=+UZ ，則運(yùn)放的同相輸入端電位是U+=UT+.(1)u0 通過 R 對(duì)電容 C 正向充電，使 UC 增加，當(dāng) UC 上升到略大于 UT+ ，比較器輸出電壓發(fā)生反轉(zhuǎn)， U0 由 +UZ 變?yōu)?-UZ ，同相端的電位 U+由 UT+ 變?yōu)?UT- 。(2)UC 通過 T 對(duì)電容反向放電，使 UC 減小，當(dāng) UC 減小到略小于 UT-，比較器輸出電壓發(fā)生反轉(zhuǎn)， U0 由-UZ 變?yōu)?+UZ ，同相端的電位 U+由 UT-變?yōu)?UT+ 。3.2三角形波發(fā)生器電路在方波發(fā)生電路中， 當(dāng)滯回比較器的閾值電壓數(shù)值比較小時(shí)， 可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。但是， 一方面這個(gè)

9、三角波的線性度較差， 另一方面帶負(fù)載后將使電路的性能產(chǎn)生變化。 實(shí)際上，只要將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在積分運(yùn)算的輸出就得到三角波電壓。如下圖所示。- 5 -三角波產(chǎn)生電路3.3 電源電路本設(shè)計(jì)還要求有電源電路。 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，是根據(jù)穩(wěn)壓電源的輸出電壓Uo、輸出電流 Io、輸出紋波電壓 Uop-p 等性能指標(biāo)要求，正確地確定出變壓器、集成穩(wěn)壓器、 整流二極管和濾波電路中所用元器件的性能參數(shù)， 從而合理的選擇這些器件。下圖為穩(wěn)壓電源 .輸出電壓可調(diào)的穩(wěn)壓電源- 6 -3.4 單元電路計(jì)算頻率計(jì)算公式：由于 R3 是可調(diào)電阻，可調(diào)范圍為 0100K，所以頻率 f 的可調(diào)范圍為50050M

10、。當(dāng)可調(diào)電阻 R3 為 10K 時(shí)，達(dá)到本次設(shè)計(jì)要求的 5KHz 。在本次設(shè)計(jì)中， 為了滿足負(fù)載的需要， 在集成運(yùn)放的輸出端加穩(wěn)壓管限幅電路，從而獲得合適的 Ut 。為了產(chǎn)生幅度相同的矩形波，兩個(gè)穩(wěn)壓管的特性必須相同，如圖（ 6）。本次設(shè)計(jì)采用兩穩(wěn)壓管反向串接，其中穩(wěn)壓電壓為 14V，正向?qū)妷簽?.9717V。所以 Uz 的值為 14.9717V。幅度的計(jì)算公式：± Ut=±R1Uz/R2Ut=±14.9717V。如果電路圖僅此而已，如下圖所示，則幅度改變的話，頻率就跟著改變。如何使調(diào)頻率和調(diào)幅度不相互影響幅度改變頻率就跟著改變的信號(hào)發(fā)生器- 7 -對(duì)應(yīng)的信號(hào)

11、發(fā)生器輸出波形可以在輸出端 Ut 處加一跟隨器， 這樣調(diào)頻和調(diào)幅可互不影響。 如下圖所示：調(diào)頻和調(diào)幅可互不影響的信號(hào)發(fā)生器- 8 -對(duì)應(yīng)的調(diào)頻和調(diào)幅可互不影響的信號(hào)發(fā)生器輸出波形- 9 -4 電路板圖設(shè)計(jì)4.1 總原理圖用 EWB仿真設(shè)計(jì)a用 EWB 繪制的電路圖：EWB 繪制波形發(fā)生器b用 EWB 仿真的波形圖：EWB 繪制波形發(fā)生器仿真結(jié)果-10-用 Protel模擬電路a.用 Protel 繪制的原理圖R78KC310 0BT8R68KC 210 015 VBT315VOPAMP3BT4 15 VC10.2 B T1 15VB T5 15VOPAMP1R3 10OPAMP2R42.5KB

12、T215VB T615VR215KR510KD1D2R110Kb.用 Protel 繪制的原理圖 ERC 檢查c.用 Protel 繪制的原理圖生成網(wǎng)絡(luò)表OPAMP4BT715 V-11-d.用 Protel 繪制的 PCB 板：用 Protel 繪制的原理圖封裝PCB 板-12-元件清單及封裝：元件序型號(hào)主要參數(shù)封裝數(shù)量備號(hào)注R1RES210kAXIAL0.31R2RES215kAXIAL0.31R3RES210kAXIAL0.31R4RES22.5kAXIAL0.31R5POT210kVR21R6POT28kVR21R7POT28kVR21C1CAP0.2uFRAD0.41C2CAP100

13、uFRAD0.41C3CAP100uFRAD0.41D1DIODEDIODE0.41SCHOTTKYD2DIODEDIODE0.41SCHOTTKYOPAMP1OPAMPDIP61OPAMP2OPAMPDIP61OPAMP3OPAMPDIP61OPAMP4OPAMPDIP61BT1BATTERY15vRAD0.41BT2BATTERY15vRAD0.41BT3BATTERY15vRAD0.41BT4BATTERY15vRAD0.41BT5BATTERY15vRAD0.41BT6BATTERY15vRAD0.41BT7BATTERY15vRAD0.41BT8BATTERY15vRAD0.41-13-5 . 設(shè)計(jì)結(jié)論通過本次課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了通過使用 EWB仿真，產(chǎn)生平時(shí)示波器上才有的方波和三角波波形。成功的使用集成運(yùn)放設(shè)計(jì)一個(gè)波形發(fā)生器，產(chǎn)生一個(gè)頻率為f o= 5 kHz的方波，其電壓幅度為Vs= | Vs|=15V。同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頻率為f o=+5kHz 的三角波，其