正弦波与方波的相互转换

1 物理与电子工程学院 课题设计报告 课题名称 正弦函数发生器设计 组 别 20 组 组 长 2011 级 杨会 组 员 2011 级 胡原彬 组 员 2011 级 廖秋伟 2013年 7月 10日 2 目录 一 设计要求 3 二 总体设计 3 三 设计方案 3 用运算放大器产生 1000HZ 的正弦信号 3 将正弦波转换为方波 3 将方波转换为正弦波 4 还原波形 4 四 设计步骤及参数的确定 4 用运算放大器产生 1000HZ 的正弦信号 4 正弦波转换为方波 4 方波转换为正弦波 5 还原波形 5 整体电路原理图 6 五 实验仿真结果 6 正弦波产生且换为方波再换为正弦波的波形 6 用放大器放大振幅还原后的波形 7 六 电路板的制作 7 画图 7 元器件清单 8 实物焊接 8 七 电路的调试 8 电路连接 8 波形测量 8 数据的记录 8 八 总结 9 设计过程中遇到的问题 9 心得体会 10 3 正弦函数发生器 一 设计要求 1 用运算放大器产生一个 1000HZ 的正弦波信号 2 将此正弦波转换为方波 3 再将此方波转换为正弦波 4 限用一片 LM324 和电阻 电容 二 总体设计 总体设计大体上可分为四个模块 1 用振荡电路产生 1000HZ 的正弦波信号 2 用一个过零比较器把正弦波变为方波 3 用 RC 滤波电路从方波中滤出正弦波 4 检测波形用放大器还原振幅 振荡电路 产生正弦波 转换为 方波 转换为 正弦波 放大还原 正弦波 过零比 较器 滤 波 电 路同向放 大器 三 设计方案 用运算放大器产生 1000HZ 的正弦信号 用 RC 和一个运放组成文氏电桥振荡电路 调节 RC 选频电路来产生 1000HZ 的 正弦波 将正弦波转换为方波 用一个运放接成过零比较器就可以把正弦波转换为方波 但会存在少许误差 4 将方波转换为正弦波 用电阻和电容组成 RC 滤波电路 选择合适的数据参数就能实现把方波变为正弦 波 还原波形 用一个同相放大器把波形的幅度放大还原 四 设计步骤及参数的确定 用运算放大器产生 1000HZ 的正弦信号 用电阻 电容 二极管和一个运放组成文氏电桥振荡电路 电路图如下 参数选择中最重要的是 R6 和 C2 的值选择 因为它们是选频电路 f 1 2 RC f 1000HZ 所以可以确定 RC的值 正弦波转换为方波 用一个运放接成过零比较器如下图 通向端接信号输入 反向端接地 只要输 入信号电压大于或小于零 信号就发生跳变 可以把正弦波转换为方波 5 方波转换为正弦波 用电阻和电容接成 RC 滤波电路 在 R2 和 C3 过后的节点处波形是三角波 最 后输出是正弦波 还原波形 1 在 RC 滤波电路输出的正弦波 幅度变小了约 9 倍的样子 用一个同向放大器 放大它的幅度 2 因为同向放大器的放大倍数为 A 1 R12 R11 所以确定 R11 8k 欧姆 R12 1k 欧姆 6 整体电路原理图 五 实验仿真结果 正弦波产生且换为方波再换为正弦波的波形 7 注 红色为震荡产生的正弦波 蓝色为正弦波转换成的方波 白色为方波转换成 的正弦波 振荡电路产生的正弦波 振幅 9 8V 频率 1000HZ 由方波转换的正弦波 振幅 1 1V 频率 1000HZ 用放大器放大振幅还原后的波形 放大还原后的正弦波 幅度 9 8V 频率 1000HZ 六 电路板的制作 画图 在 DXP 软件中画出上面已近仿真成功的原理图 选择封装 转换成 PCB 模式 整理 PCB 版面上的元件布局 尽量避免导线的交叉 8 元器件清单 元器件 名称 型号参数 欧姆 数量 个 5 1K 1 2 7K 1 1K 2电阻 10K 2 15nF 2 33nF 2电容 1uF 1 10K 3电位器 20K 1 二极管 1N4001 2 芯片 LM324N 1 实物焊接 按照上面的布局排列实物电路板 依据 PCB 板的线路分布焊接电路 注意焊接时不要 短路和外接电源 接地的接口的焊接 并把要测试的信号用导线引到排针上方便测试 七 电路的调试 电路连接 用 12V 的恒压源连接到电路板的正负电源接口 把电路板接地端接地 波形测量 用示波器观测振荡器产生的正弦波 方波 转换后的正弦波和放大还原的正弦波 注意调节电位器 数据的记录 波形类型 频率 HZ 振幅 V 振荡器产生的正 弦波 1000 9 8 9 方波 1000 13 4 转换后的正弦波 1000 1 1 放大还原后的正 弦波 1000 9 8 数据结果分析 我们用振荡器产生了频率 1000HZ 振幅 9 8V 的正弦波 经过过零比较器后变为频 率 1000HZ 振幅 13 4V 的方波 在经过我们的滤波电路 把方波转换为频率 1000HZ 振幅 1 1V 的正弦波 最后经放大器放大还原为频率 1000HZ 振幅 9 8V 的正弦波 虽 然实际值和理论值有一些小小的误差 但实验还是得到了正确的结果 八 总结 设计过程中遇到的问题 因为第一次做类似的设计电路 很多地方不清楚 都是在摸索中进行的 遇到了很 多大小的问题 比如 1 电路图自己设计很困难 在查找电路图时很多都不能实现 这些电路对于我们不 适用 2 元件的参数确定是大多是参照我们查找的电路 稍作修改 自己很少从设计的角 度来理论计算 3 仿真时有时候是正确的波形 感觉没有动它一会儿又出了问题 4 在焊接电路板时 各个元件的引脚很细很密 容易短路 第一次焊接完了去调试 时 用示波器在元件中寻找波形很不方便 而且没有波形 我们再次检查并把要检测 的信号用导线连接到排针上方便检测 5 第二次检测时感觉是那些地方短路了 做了修改后再去检测 后面几步都有波形 但是第一步 振荡器 没有成形的正弦波 我们认为是振荡器的两个电位器的阻值没 调好 6 我们在电路板上用到了 4 个电位器 最初我们不知道电位器怎么调节是变大或变 小 只有一通乱调 后来才想到用万用表测它的电阻 7 最初我们的电位器只用到了两个引脚 认为连接方式和滑动变阻器类似 后来听 说得三个脚都用到 中间和两侧中的一个串联再外接 8 经过种种改善和调试都不行 我们打算新做了一个电路板 在焊接的时候我没看 见新的 LM324n 芯片 想把它换在旧板上试一试 结果调试出了波形 虽然最后的正 弦波有失真 但前面振荡器产生的正弦波和方波都是可以的 频率都可以通过电位器 调到 1000HZ 幅值也可以调节 主要是最后的转换后的正弦波有些失真 放大后也存 在失真 9 由于失真 我们检查后把电容 C3 由原来的 1 2uF 改为 1uF 好像 C3 电容原本不 是它所标注的 1 2uF 波形不失真 但是最后放大器放大的幅度只能达到初始正弦波 10 的 1 2 再调大就波峰就截止了 我们有尝试改小电容 C4 和 C5 10 为了进一步完善 我们把相关的电阻和电容测量一下并适当替换 在调整后又 拿去调试 仔细调节电位器 终于得到了正确的结果 11 同时我们也没停下第二块的电路板的制作 希望第二块能吸取第一块的经验做 的更完善 但第二块也许是没有充足的精力和时间 波形还是存在失真 我们决定还 是采用第一块电路板 心得体会 第一次设计制作电路 虽然遇到了很多现在看来很低级的错误 也好像花了很多的 时间做了无用功 但是却让我们熟悉相关软件和制作的过程 了解相关的制作方法 重温了以前模电学习的相关放大器 振荡电路 滤波等等的原理 打下了电路板制作 的一些基础 现在花的时间越是多 对以后的学习帮助越大 所以这一次的设计制作 我们学到了很多 同时也看见了我们很多的不足之处 明白了哪些地方我们还急待学 习和提高 知道细心 耐心的必要 知道测试 检测的理性 知道理论 实际的差别 知道失败 重复的统一 知道一次次调试 一次次检验 一次次计算 一次次修改 再一次次调试 为了达到我们能做到的最好 我们不厌其烦 最可怕是我们还乐此 不疲 同时在我制作的过程中也看见了学长们做的电路板和我们的不是一个等级的 东西 也看见了我们专业的人要能达到这样的水平才算学的不错 总之 短短一周让 我们见识到很多 了解到很多 学习到很多 相信我们在以后的学习过程中还能收获 更多