模拟电路课程设计报告

设计课题:波函数转换器

专业班级： 学生姓名：学 号： 46 指导教师：设计时间：

设计制作一个产生正弦波－方波－锯齿波函数转换器

一、设计任务与要求

1、 输出波形频率范围为0.02KHz~20kHz且连续可调； 2、 正弦波幅值为±2V； 3、 方波幅值为2V；

4、 三角波峰-峰值为2V，占空比可调； 5、 分别用三个发光二极管显示三种波形输出；

6、用桥式整流电容滤波集成稳压块电路设计电路所需的正负直流电源（±12V）。

二、方案设计与论证

设计要求产生三种不同的波形分别为正弦波、方波、三角波。正弦波可以通过RC桥式正弦波振荡电路产生。正弦波通过滞回比较器可以转换成方波，方波通过一个积分电路可以转换成三角波，只要调节三角波的占空比就可以得到锯齿波。各个芯片的电源可用直流电源提供。

方案一

1、直流电源部分

电路图如图1所示

图1 直流电源

2、波形产生部分

方案一：

LC正弦波振荡

电路

滞回比较器

正、反积分时间常数可调的积分电路

LC正弦波振荡电路与RC桥式正弦波振荡电路的组成原则在本质上是相似的，只是选频网络采用LC电路。在LC振荡电路中，当f=f0时，放大电路的放大倍数数值最大，而其余频率的信号均被衰减到零；引入正反馈后，使反馈电压作为放大电路的输入电压，以维持输出电压，从而形成正弦波振荡。

方案二

1、 直流电源部分同上 2、电路图如图2所示

图2 正弦波—方波—三角波函数转换电路

方案论证

LC正弦波振荡电路特别是方案一所采取的电感反馈式振荡电路中N1与N2之间耦合紧密，振幅大；当C采用可变电容时，可以获得调节范围较宽的振荡频率，最高频率可达几十兆赫兹。由于反馈电压取自电感，对高频信号具有较大的电抗，输出电压波形中常含有高次谐波。因此，电感反馈式振荡电路常用在对波形要求不高的设备之中，如高频加热器、接受机的本机振荡电路等。另外由于LC正弦波振荡电路的振荡频率较高，所以放大电路多采用分立元件电路，必要时还应采用共基电路。因此对于器材的选择及焊接的要求提高了。

相反，RC正弦波振荡电路的振荡频率较低，一般在1MHz以下，它是以RC串并联网络为选频网络和正反馈网络，以电压串联负反馈放大电路为放大环节，具有振荡频率稳定，带负载能力强，输出电压失真小等优点，因此获得相当广泛的应用。另外对于器材的要求也不高，都是写常见的的集成块、电容、电位器等。在布局方面，简单，清晰！

综合对比两种方案，我选择第二种方案。

三、单元电路设计与参数计算 1、直流电源

（1）、整流电路

设变压器副边电压U2=2U2sinwt, U2为其有效值。 则：输出电压的平均值 UO(AV) 输出电流的平均值

IO(AV)=0.9U2/RL

脉动系数

S=二极管的选择

1

2U2sinwtd(wt) 0.9U2

UO1M

= 2/3=0.67 UO(AV)

最大镇流电流IF>1.1

2U2

RL

最高反向工作电压 URM>1.12U2

（2）、滤波电路

UO(AV)=2U2(1-T/4RLC)

当RLC=(3~5)T/2时，UO(AV) =1.2U2

脉动系数为

S=

T

4RLC T

UOmax＋UOminT滤波后的电压： U ＝ 2U(1 )O（AV）2

24RLC

（3）、稳压电路

在稳压二极管所组成的稳压电路中，利用稳压管所起的电流调节作用，通过限流电阻R上电压或电流的变化进行补偿，来达到稳压的目的。限流电阻R是必不可少的元件，它既限制稳压管中的电流使其正常工作，又与稳压管相配合以达到稳压的目的。一般情况下，在电路中如果有稳压管存在，就必然有与之匹配的限流电阻。

1)稳压电路输入电压UI的选择： 根据经验，一般选取

UI=(2~3)UO

UI确定后，就可以根据此值选择整流滤波电路的元件参数。

2)稳压管的选择： UZ=UO;

IZmax-IZmin>ILmax-ILmin; 稳压管最大稳定电流 IZM>=ILmax+ILmin

3）限流电阻R的选择：

通过查手册可知：IZMIN<=IDZ<=IZMAX; 计算可知:Rmax=（UImin-UZ)/(IZ+ILmax） Rmin=(UImax-UZ)/(IZM+ILmin)

其中变压器用 220V~15V规格的选的三端稳压器为：LM7812、LM7912，整流用的二极管可用1N4007 ，电解电容用3300uf C7与C8可用220Uf电容C3与C3可用0.3322Uf C5与C6可用0.1uF ，发光二极管上的R用 1KΩ。 2、 波形转换部分

（1）、RC正弦波振荡电路的参数设计 RC正弦波振荡电路图如图3所示 令

R2=R’=R

图3 RC正弦波振荡电路

F=Uf\Uo=

R//1/jwc1

整理可得F=

R 1/jwc R//1/jwc3 j(wRC 1/wRC)

令W。=1/RC,则 f。=1/2ПRC,

根据起振条件和幅值平衡条件 Au=U。/Up=1+Rf/R1≥3，整理得：Rf≥2R1 因为输出波形频率范围为0.02KHz－20KHz,取C=0.22Uf,故R=(0.02K-3.6K),用5K的电位器去调，且正弦波的幅值为2V,故R1用10K的电位器，Rf用50K的电位器。

正弦波发生器仿真电路图如图4所示

图4 RC正弦波振荡电路的仿真电路图

正弦波——方波转换器实验原理如图5所示

滞回比较器

方波

正弦波发生电路

图5 正弦波—方波转换器实验原理方框图

滞回比较器如图6所示，其电压传输特性如图7所示

图6 滞回比较器 图7 电压传输特性

电路组成：集成运放uA741,R5,R6

图6为一种电压比较器电路，双稳压管用于输出电压限幅，R3起限流作用，R1和R2构成正反馈，运算放大器当Up>Uc时工作在正饱和区，而当Uc>Up时工作在负饱和区。从电路结构可知，当输入电压Uⅰ小于某一负值电压时，输出电压U。= -UZ；当输入电压Uⅰ大于某一电压时，uo= +UZ。又由于“虚断”、“虚短”Up=Uc=0，由此可确定出翻转时的输入电压。up用ui和uo表示，有

11

ui uo

Ru R1uoR1R2

up 2i=un=0

11R1 R2

R1R2

得此时的输入电压

ui

R1R

uo m1UZ mUth R2R2

Uth称为阈值电压。滞回电压比较器的直流传递特性如图7所示。设输入电压初始值小于-Uth，此时uo= -UZ ；增大ui，当ui=Uth时，运放输出状态翻转，进入正饱和区。如果初始时刻运放工作在正饱和区，减小ui ，当ui= -Uth时，运放则开始进入负饱和区。

由于是正弦波—方波转换电路，输出端加一个限流电阻R7=2K,根据设计要求方波幅值为2V，因此选择的稳压二极管可选用稳压为3.3V的，共两个。

正弦波——方波转换仿真电路图如图8所示

图8 正弦波——方波转换仿真电路图

方波——锯齿波转换器实验原理如图9所示

图9 方波——锯齿波转换器实验原理

方波发生电路

正、反积分时间常数可调的积分电路

锯齿波

电路组成：

（1）积分运算电路

积分运算电路如图10所示

图10 积分运算电路

由于“虚地”， U-=0, 故： Uo=-Uc

由于“虚断”，i1=iC, 故： Ui=i1R=icR 得：

uO uC

11

iCdt CRC

udt；τ

I

= RC（积分时间常数）

由上式可知，利用积分电路可以实现方波——三角波的波形变换。

(2)占空比可调电路

方波—三角波转换电路的仿真图如图11所示

图11 方波—三角波转换电路的仿真图

由于是方波—三角波波转换电路，因此在第二个集成块的输出端加上个限流阻R5=2K,根据设计要求三角波的峰—峰值为2V，且占空比可调。 Uo=-T=

11Uz(t1-t0)+UO(t0) 当Uo=Uz(t2-t1)+UO(t1) R8C（R8 R9)C

2R5（2R8 R9)C

,取R9、R5为10K的电位器，R8为50K电位器。解之可得：

R6

R6=282/T=282f=0.0968K~9.68K，因此取R6=10K，积分电路中C=220nf,改变占空比的二极管可选用2个1N4007,补偿电阻R12可选取10K，以保证集成运放输入级差分放大电路的对称性。 四、总原理图及元器件清单

1、总原理图

（1）、直流电流如图12所示

图12 直流电源

（2）、正弦波—方波—三角波函数转换电路如图13所示

图13 正弦波—方波—三角波函数转换电路

3、 元件清单

元件清单如表1所示 表1 元件清单

五、安装与调试

1、

直流稳压电源

（1）、按所设计得电路图在电路板上做好布局，准备焊接电路板。 （2）、用万用表测得输出为+11.9V和-12.1V，与理论值有一定的误差；并

且测出7812、7912输入与输出的压差分别为+9.2和-9.2，并记录。

2、正弦波、方波、三角波波形转换

（1）、按照设计好的电路图正确地布局好电路，焊接电路板. （2）、经“起振”调试后用示波器可测得各输出端的波形，并记录。

（3）、 用示波器读出格数，计算峰—峰值；然后用数字毫伏表读出其有效

值，并记录。

(4)、 调节各个电位器，用函数发生器的输入端测出各个波形的频率范围，

并记录。

六、性能测试与分析

1、直流电源部分

输出：+11.9V，-12.1V。

稳压块电势差：LM7812为9.2V，LM7912为9.2V。 误差分析：

LM7812端的输出：（11.9-12）/12 100 %=0.83%。 LM7912端的输出：（12.1-12）/12 100 %=0.83%。 2、波形转换部分

经“起振”调试后用示波器可测得各输出端的波形，并记录。用示波器读出格数，计算峰—峰值；然后用数字毫伏表读出其有效值，并记录。调节各个电位器，用函数发生器的输入端测出各个波形的频率范围，并记录。 数据记录：

（1）、正弦波（幅值可调、频率可调）

峰-峰值：Up-p=2 2=4V 有效值为：U=4/22=1.41V 频率调节范围为：187.6HZ—12.67KHZ 相对误差：（1.4144-1.41）/1.41 100%=0.31% （2）、方波

峰-峰值：Up-p=2.5 2V=5V 有效值为：U=5/22=1.768V 相对误差：|2.5-2|/2 100%=25% （3）、三角波

峰-峰值：Up-p=2 2V=4V 有效值为：U=4/22=1.414V 相对误差：|2-2|/2 100%=0 误差分析：

1、 电路参数选择不合理

2、 焊电路板的时候，焊点时间太长了，影响了器件的阻值 3、 焊点不紧凑

4、 直流电源输出的信号不是标准的±12V 5、 读数时未正视

6、 电位器太多了，不便于调节

七．结论与心得

实验结果：

1、 若正弦波失真，可调电位器R1,若不能稳幅，则调电位器Rf。 2、 调节电位器的滑动端可以改变占空比。

3、 调节RC串并联网络的电位器可改变正弦波的频率。 心得：

这次的课程设计的方案很快就出来了，可是，由于电位器太多了，特别不好调试。调了一天才终于调试出来，虽然久，但是心里还是有一点的成就感，因为从小就对电有种恐惧感。这次的课程设计我学到了很多，不仅仅是课内的知识，比如，我们必须将所学的理论知识同客观实际相结合，才能真正的学好！而且，团队合作在试验中有着举足轻重的重要。

八、参考文献

1、

《模拟电子技术基础》第四版 童诗白与华成英主编 ,高等教育出版社 .（2006）；

2、 3、 4、 5、 6、 7、

《电子线路设计、实验、测试》（第二版）谢自美主编, 华中理工大学出版社；

《模拟电子技术》 王港元主编, 机械工业出版社. （1994）

《电子技术基础》（模拟部分） 康华光主编 , 高等教育出版社.（1999）。 《电子技术实验与课程设计》 毕满清 主编， 机械工业出版社， 2006 《电子线路线性部分（第四版）》 谢嘉奎 主编高等教育出版社，1999 《电子实验与课程设计》——赣南师范学院物理与电子信息学院

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物理与电子信息学院模拟电路课程设计成绩评定表

专业：电子信息工程班级：电信本学号：46姓名：