波形转换电路的设计

学 号： 课 程 设 计题 目波形转换电路的设计学 院理学院专 业电子信息科学与技术班 级姓 名指导教师2012年1月23日 课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 电信科xxx班 指导老师： 工作单位：武汉理工大学理学院 题目：波形转换电路的设计初始条件：直流稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、镊子等必备工具要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求以及说明书撰写等具体要求）1、 技术要求：设计一种波形转换电路，要求产生频率可调的方波，并且能够实现方波转换为三角波。测试并且记录下不同频率下的方波和三角波的波形图，以及输出电压值。2、 主要任务：（一）设计方案（1） 按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；（2） 以集成电路运算放大器LF353为主，设计一种波形转换电路（实现方案）；（3） 依据设计方案，进行预答辩；（二）实现方案（4） 根据设计的实现方案，画出电路图；（5） 查阅资料，确定所需各元器件型号和参数；（6） 在面包板上组装电路；（7） 自拟调整测试方法，并调试电路使其达到设计指标要求；（8） 撰写设计说明书，进行答辩。3、 撰写课程设计说明书：封面：题目，学院，专业，班级，姓名，学号，指导教师，日期任务书目录（自动生成）正文：1、技术指标；2、设计方案及其比较；3、实现方案；4、调试过程及结论；5、心得体会；6、参考文献成绩评定表时间安排：课程设计时间：20周21周20周：明确任务，查阅资料，提出不同的设计方案（包括实现方案）并答辩；21周：按照实现方案进行电路布线并调试通过；撰写课程设计说明书。指导教师签名： 年 月 日系主任（或负责老师）签名： 年 月 日 武汉理工大学专业课程设计（一）课程设计说明书 波形转换电路的设计1 技术指标设计一种波形转换电路，要求产生频率可调的方波，并且能够实现方波转换为三角波。测试并且记录下不同频率下的方波和三角波的波形图，以及输出电压值。2 设计方案及其比较2.1 方案一先设计一RC正弦波振荡器产生一频率可调的正弦波，再用过零比较器将其转换为方波，最后用积分器将方波转换为三角波，整个电路由三部分组成。 1）RC正弦波振荡器，电路如下图所示： 图2.1 RC正弦波振荡器, 该电路利用自激振荡产生正弦波，其频率为f=1/2RC，故调节滑阻R即可实现频率调节，并且由幅值平衡条件可算出,输出电压的幅值由运算放大器两端的偏置电压决定。 2）将所产生的正弦波转换成方波，电路如下图所示： 图2.2 过零比较器 上图为一过零比较器，由于运算放大器的放大倍数很大，可近 似为无穷大。当输入信号Vi0时，输出信号Vo趋于负无穷大；当Vi0时，输出Vo趋于正无穷大。由于输出电压受运放偏置电压限制，故。 图中R1、D1和D2为输入保护电路，R1为限流电阻，防止输入信号过大损坏运算放大器， D1和D2为输入保护二极管，限制输入电压幅度。输出回路 R2为限流电阻，D3和D4作稳压管用，完成输出电压双向限幅。输入正弦波即可在输出端产生方波，频率与正弦波相同。 3）方波转换成三角波，电路如下图所示： 图2.3 积分电路 上式表明，Vo-Vi为积分关系，负号表示输入和输出信号相位相反。当Vi为定值时，电容将横流充电，输出电压为： (1)可见Vo与t呈线性关系，当输入方波信号Vi时，输出端即可得到三角波信号Vo，其幅值为，其中T为方波信号的周期，频率与方波信号相同。4） 整合电路如下图所示： 图2.4 方案一整合电路 在上图中由由自激振荡在第一级运放输出端产生正弦波信号，将其输入到中间部分的过零比较器即可得到方波信号Vo1，再将Vo1接到到积分器的输入端，即可在输出端Vo2得到三角波信号，同时调节滑阻RV1和RV2即可调节方波和三角波的频率。2.2 方案二设计一方波发生器，再将其产生的方波通过RC电路转换为三角波，整个电路由两部分组成。1） 方波发生器，产生频率可调的方波，电路如下图所示： 图2.5 方波发生器上图为一方波发生器，由电压比较器设计而成，该电路具有正反馈和负反馈，其中正反馈系数为 (2)方波周期由此可知，只需调节滑阻R即可调节输出的方波信号的频率。图中D1，D2作稳压管用，以稳定输出电压的幅值，故输出电压的幅值由稳压管的击穿电压决定。2） 将方波信号转换成三角波信号，电路如下图所示： 图2.6 RC串联电路 由于该电路中具有延迟环节，电容充满电需要一定的时间，由公式可得将电容充满电所需时间为 (3)设输入的方波信号的周期为T，则只需适当地设置R和C的参数使之满足即可保证电容一直处于充电或放电状态，这样就能使电容两端电压与时间成正比，呈线性关系，由于输入的方波信号的上限电压和下限电压大小相等方向相反，故可在输出端Vo输出三角波信号，其频率与方波相同，幅值为。3） 整合电路如下图所示： 图2.7 方案二整合电路在上图中由方波发生器在第一级输出端Vo1处产生方波，所产生的方波通过RC串联电路在Vo2端产生三角波，方波和三角波的频率可由滑阻RV1调节。2.3 方案比较方案一首先利用自激振荡产生一正弦波信号，再使用比较器间接地产生方波，方波转换为三角波的环节则使用积分器，利用运放产生三角波。而方案二则采取利用方波发生器直接产生方波，在将方波转换为三角波时则使用RC串联电路，利用电容的迟滞特性产生三角波。方案一原理简单易懂，所产生的波形也比较稳定，但构造复杂且不易调频，相比之下方案二的电路则显得简单整洁，调节频率只需调节一个滑阻，但产生的三角波不及方案一标准。3 实现方案实现方案综合了方案一和方案二，取优除劣，采用方波发生器和积分器的组合电路，即能直接产生方波，也能输出比较标准的三角波，同时保证了整个构造简单整洁，便于布线，更具可行性。其电路如下图所示： 图3.1 实现方案该电路的前级部分为一方波发生器，由施密特触发器以及少量电阻、电容元件组成，并且具有正反馈和负反馈，该电路的正反馈系数为 (4) (5)在接通电源的瞬间，输出电压究竟是处于正向饱和或是负向饱和，这是随机的。假设初始输出电压为负向饱和，即，则加到运算放大器同相输入端的电压为,而加于反相端的电压由于电容C上的电压不能突变，只能由输出电压Vo1通过负反馈电阻R按指数规律向C充电来建立，显然0。当越来越正，直到比还大时，输出电压立即从正的饱和值翻转到负饱和值。如此循环下去即可形成方波输出，根据一阶RC电路的三要素法有 (6)输出方波高电平的时间间隔为 (7)输出方波低电平的时间间隔为 (8)则方波的周期为故其频率可由滑阻R调节，输出方波的幅值由运放所加偏置电压确定。该电路的后半部分为一积分器，由运放、电容和电阻组成，利用“虚短”和“虚断”两条法则求Vo2-Vo1的关系，有 (9) (10)由节点电流法可知 （11） （12）由上式可知Vo2-Vo1为积分关系，当Vo1为定值时，电容将恒流充电，输出电压为，由此可知Vo2与时间t呈线性关系，当输入由方波发生器产生的方波信号Vo1时即可产生频率与方波信号相同的三角波信号Vo2。 该电路所采用的运算放大器为LF353，为一双运放，其引脚图如下图所示： 图3.2 LF353引脚图 如图所示，LF353由两个运放组成，故接线时只需使用一组引脚，且不能交错使用。电路中的电容C可在方波比较器中产生延迟环节，使得反相端的电压不能突变，由此产生方波。滑动变阻器R可以调频并作为方波发生器中的负反馈环节，电阻R1和R2则作为正反馈环节。电容C1和电阻R3为积分器的组成部分，可以决定三角波的幅值。布线图如下图所示： 图3.3 布线图4 调试过程及结论调试过程：开始实验后，首先连好地线，调节正负电源，用示波器监测输出端Vo1和Vo2的波形，适当调节灵敏度开关和扫描速率后即可观察到一个方波信号和一个三角波信号，频率相等，调节滑动变阻器R可观察到方波和三角波的频率同时发生变化，随后便根据要求测量出几组频率并利用公式算出了相应的理论值，发现理论值和测量值相差较大，由于原来R1和R2都使用1k的电阻，阻值相对较小，故尝试将其换成10k的电阻再进行测量，得到的几组数据都和理论值相差不大，波形也只有轻微程度的失真。实验数据计算如下： 第一组：测量值 理论值 第二组：测量值 理论值 第三组：测量值 理论值波形图如下所示： 图4.1 第一组波形图 图4.2 第二组波形图 图4.3 第三组波形图设计结论：该电路中的方波发生器可产生频率为的方波，且能由电路中的积分电路将方波信号转换成同频率的三角波信号。5 心得体会这次课程设计让我获益匪浅，第一次独立设计这种较大的电路，这对自己对所学的知识是一个严峻的考验，要完成这样一个设计，就不得不加深对课本上所学知识的理解，并要查阅其他资料， 从对最开始驻足于第一个方案到最后设计出三个不同的方案并反复进行仿真，这之间耗费了很多的时间和精力，也遇到了从未遇到过的挑战，虽然过程很艰辛，但我对原本所学知识那模糊不清的理解也深刻了很多，也了解了很多电路工作的原理，而不是像原来只知道其作用而不清楚工作原理，这对今后的学习是有很大帮助的，并且由于要设计出三个方案，这对自己的创新能力和思考能力也是一个很大的挑战。在参数计算以及仿真过程中也遇到很多问题，这就不得不进一步的加深对实验电路的理解，以分析出问题所在并一一解决，最后仿真出比较理想的波形，这过程不仅帮助了我加深理解，并对之后的调试也也有很大帮助，由于之前的经验，在调试过程中遇到问题后能在第一时间内找到解决办法，而不是像第一次遇到问题时那样干着急，这帮我节省了很多调试时间并在短时间内调试完毕，处理问题的能力得到了很大的提升。从刚接到任务书时的担忧到后来越来越有信心，答辩和调试都超乎想象的顺利，后来帮别人分析电路时思路也变得很清晰，这都归功于这次的课程设计，虽然付出了很多，但所学到的东西将让我受益一生。6 参考文献1吴友宇.模拟电子技术基础.北京：清华大学出版社，2009.233-277.2童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2006.405-409.9 本科生课程设计成绩评定表姓 名性 别男专业、班级电信科xxx班课程设计题目：波形转换电路的设计课程设计答辩或质疑记录： 问：简述三个方案的工作原理答：方案一首先利用自激振荡产生正弦波，其中滑动变阻器可以调节频率，再用过零比较器将所产生的正弦波转换为方波，最后用积分电路将方波转换为三角波。方案二直接利用方波发生器产生方波，滑动变阻器R可以调节频率，然后利用电容充满电需要一定时间的特性适当设置电容和电阻的值使充满电所需时间小于方波周期的一半即可产生三角波。实现方案同方案二一样直接利用方波发生器产生方波，用滑阻调节频率，再用方案一中的积分电路将方波转换为三角波。成绩评定依据：评定项目考察点分数所占比例折合分数总成绩（百分制）方案设计及预答辩设计方案的合理性答辩30电路布线及调试电路布线的合理性电路的调试30说明书及答辩说明书撰写的规范性答辩40最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日 武汉理工大学专业课程设计（一）课程设计说明书 目录1技术指标12设计方案及其比较12.1方案一12.2方案二52.3方案比较73实现方案74调试过程及结论105心得体会106参考文献11