模拟电子方波—正弦波—三角波转换全解

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1、第1章 绪论1.1简介在人们结识自然、改造自然的过程中，常常需要对多种各样的电子信号进行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特性和测量规定，灵活、迅速的选用不同特性的信号源成了现代测量技术值得进一步研究的课题。信号源重要给被测电路提供所需要的已知信号(多种波形)，然后用其他仪表测量感爱好的参数。可见信号源在多种实验应用和实验测试解决中，它不是测量仪器，而是根据使用者的规定，作为鼓励源，仿真多种测试信号，提供应被测电路，以满足测量或多种实际需要。波形发生器就是信号源的一种，可以给被测电路提供所需要的波形。老式的波形发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路构造复杂，不能根据

2、实际需要灵活扩展。随着微电子技术的发展，运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、三角波、锯齿等幅值可调的信号。与既有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简朴以便。根据用途不同，有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件 (如低频信号函数发生器S101所有采用晶体管)，也可以采用集成电路(如单片函数发生器模块8038)。信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。多种波形曲线均可以用三角函数方程式来表达。可以产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函

3、数信号发生器。它用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调节电子电路及设备时，为测定电路的某些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都规定提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的鼓励信号。当规定进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和反复周期已知的矩形脉冲源。并且规定信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范畴内进行精确调节，有较好的稳定性，有输出批示。信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号

4、发生器等四大类。正弦信号是使用最广泛的测试信号。目前,我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一种能变换出正弦波、方波、三角波的简易发生器。众所周知，制作函数发生器的电路有诸多种。本次设计先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波，这是一种频率可调的移相式正弦波发生器电路，其频率稳定一般为实验所拟定，然后可以通过变化电容值来变化再通过电压比较器产生方波，最后通过积分电路形成三角波。此电路具有良好的正弦波和方波信号。它的制作成本不高，路简朴，使用以便，有效的节省了人力，物力资源。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。该函数发生器规定能输出频率范畴可调的正弦波、方波和三角波，可以较

5、好的实现本次实验的目的,将某些线性和非线性的元件与集成运放组合,输出性能良好的波形.由正弦波、方波或三角波的发生器产生相应的信号，通过互相转换实现多种波形的输出。正弦波可以由RC正弦波振荡电路产生，之后通过过零比较器可产生方波，再积分可得三角波。通过调节 RC 振荡电路中的振荡电阻来实现频率可调。通过调节比例运算电路的反馈电阻来实现幅度可调，最后做成规定的函数发生器。1.2设计目的1掌握电子系统的一般设计措施2掌握模拟IC器件的应用3培养综合应用所学知识来指引实践的能力4掌握常用元器件的辨认和测试5熟悉常用仪表，理解电路调试的基本措施1.3设计任务 方波三角波正弦波函数发生器输出波形频率范畴为

6、10Hz10kHz且持续可调；正弦波幅值为2V；方波幅值为2V；三角波峰-峰值为2V。第2章 实验方案的设计2.1原理框图 方波三角波正弦波 低通滤波器积分电路电压比较器 图2-1 原理框图2.2正弦波发生电路的工作原理一、产生正弦振荡的条件:正弦波产生电路的目的就是使电路产生一定频率和幅度的正弦波，我们一般在放大电路中引入正反馈，并发明条件，使其产生稳定可靠的振荡。正弦波产生电路的基本构造是：引入正反馈的反馈网络和放大电路。其中：接入正反馈是产生振荡的首要条件，它又被称为相位条件；产生振荡必须满足幅度条件；要保证输出波形为单一频率的正弦波，必须具有选频特性；同步它还应具有稳幅特性。因此，正弦

7、波产生电路一般涉及：放大电路；反馈网络；选频网络；稳幅电路个部分。二、正弦波振荡电路的构成判断及分类： (1)放大电路：保证电路可以有从起振到动态平衡的过程，电路获得一定幅值的输出值，实现自由控制。 (2)选频网络：拟定电路的振荡频率，是电路产生单一频率的振荡，即保证电路产生正弦波振荡。 (3)正反馈网络：引入正反馈，使放大电路的输入信号等于其反馈信号。稳幅环节：也就是非线性环节，作用是输出信号幅值稳定。 三、判断电路与否振荡的措施： (1)与否满足相位条件，即电路与否正反馈，只有满足相位条件才可产生振荡。 (2)放大电路的构造与否合理，有无放大能力，静态工作与否合适； (3)与否满足幅度条件

8、。四、正弦波振荡电路检查： (1) 则不也许振荡； (2) 振荡，但输出波形明显失真； (3) 产生振荡。振荡稳定后。此种状况起振容易，振荡稳定，输出波形的失真小。五、RC正弦波振荡电路：常用的RC正弦波振荡电路是RC串并联式正弦波振荡电路，它又被称为文氏桥正弦波振荡电路。串并联网络在此作为选频和反馈网络。图2-2 RC桥式正弦波振荡电路RC桥式正弦波振荡电路的构成如图所示。当时，RC选频网络的相移为零，这样RC串并联选频网络送到运算放大器同向输入端的信号电压Vi与输出电压Vo同相，因此RC反馈网络形成正反馈，满足相位平衡条件。为使在震荡建立期间信号做增幅震荡，应选择R1和R2可使Af3，保证

9、。因此它的起振条件为： ；它的振荡频率为： 。它重要用于低频振荡。要想产生更高频率的正弦信号，一般采用LC正弦波振荡电路。它的振荡频率为： 。此外，石英振荡器的特点是其振荡频率特别稳定，它常用于振荡频率高度稳定的的场合。RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠两个并联的二极管构成的，当输出信号较小时，二极管工作电流小，动态电阻大，电路的增益较大，引起增幅震荡过程。当输出幅度达到一定限度，二极管工作电流大，动态电阻小，电路的增益下降，电路的输出电压幅值将不再上升，从而使输出电压稳定，以此来达到稳幅的目的。2.3正弦波变换成方波的工作原理一、电压比较器的功能：电压比较器是用来比较两个电压大小的电路，它的输

10、入信号是模拟电压，输出信号一般是只有高电平和低电平两个稳定状态的电压。运用电压比较器可将各周期性信号转换成矩形波。二、过零比较器：参照电压为零的比较器称为过零比较器。按输入方式的不同可分为反相输入和同相输入两种过零比较器，一般用阈值电压和传播特性来描述比较器的工作特性。阈值电压(又称门槛电平)是使比较器输出电压发生跳变时的输入电压值，简称为阈值，用符号UTH表达。图2-3 过零比较器本电路中该电路的作用是将正弦信号转变成方波信号，其传播特性曲线如下图所示： 2.4 方波变换成三角波的工作原理方波通过积分器就变成了三角波。但是此电路规定前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。 图2-4 积分

11、电路原理Vo-Vi为积分关系，负号表达输入和输出信号相位相反。当Vi为定值时，电容将恒流充电，输出电压为： (2-1)当积分器输入信号为方波时，其输出信号为三角波，电路波形图如下： 图2-5 三角波发生器工作波形图2-6 积分电路仿真图2.5正负12V直流稳压电源的设计直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装置，它需要通过变压、整流、滤波、稳压四个环节才干完毕。一、设计原理：直流稳压电源一般由电源变压器T、整流滤波电路及稳压电路所构成，基本框图如图所示：图2-7 直流稳压电源设计框图及波形二、各部分作用：1、电源变压器T：作用是将电网220V的交流电压变换成整流滤波电

12、路所需要的交流电压Ui。2、整流电路：整流电路将交流电压Ui变换成脉动的直流电压。再经滤波电路滤除较大的纹波成分，输出纹波较小的直流电压U1。3、滤波电路：经整流后的直流输出电压脉动性很大，不能直接使用，为减少其交流成分，常在整流电路后接滤波电路。滤波电路的重要任务是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其输出平滑的直流电压，这里我们采用接入滤波电容来构成滤波电路。4、稳压电路：常用的稳压电路有两种形式：一是稳压管稳压电路，二是串联型稳压电路。两者的工作原理有所不同。稳压管稳压电路其工作原理是运用稳压管两端的电压稍有变化，会引起其电流有较大变化这一特点，通过调节与稳压管串联的限流电阻上的

13、压降来达到稳定输出电压的目的。三、具体电路设计：在整流电路中我们采用全波整流桥，该电路的整流效果和输出电压波形为单项半波整流的两倍，在稳压电路中采用CW7812和CW7912型号的这两个集成稳压器芯片构成的具有同步输出固定的+12V、-12V电压的稳压电路。该电路对称性好，温度特性也近似一致。图2-8 直流稳压电源电路图四、稳压电源的性能指标及测试措施： 稳压电源的技术指标分为两种：一种是特性指标，涉及容许输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范畴等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定限度，涉及稳压系数（或电压调节率）、输出电阻（或电流调节率）、纹波电压（纹波系数）及温度系数。第

14、3章 仿真电路及运营成果3.1 Multisim简介Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基本的仿真工具，合用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它涉及了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。multisim10概述:1.通过直观的电路图捕获环境,轻松设计电路。2.通过交互式SPICE仿真,迅速理解电路行为。3.借助高档电路分析,理解基本设计特性。4.通过一种工具链,无缝地集成电路设计和虚拟测试。5.通过改善、整合设计流程,减少建模错误并缩短上市时间。3.2 总波形发生电路图3-1 正弦波方波三角波函数发生器该电路分为三部分，第

15、一部分为RC桥式正弦振荡电路，其功能是运用RC振荡产生特定频率的正弦波；第二部分为过零电压比较器电路，其功能为将正弦波转成方波；第三部分为积分电路，其功能为运用积分电路将方波转成三角波；此外，在积分电路之前设立一种电压跟随器，起到隔离作用，使过零电压比较器电路与积分电路不互相影响。拟定电路元器件参数：稳压管的作用是限制和拟定方波的幅度，因此方波正负半周的对称性与稳压管性能有关。因此选用稳压管时，要选择性能好某些的两个管性能对称的稳压管，最佳选用双向稳压管；R3是稳压管的限流电阻，阻值根据稳压管的电路拟定；Rp1和Rp2给比较器提供门限电平，她们可以决定三角波的幅值.因此Rp1和R2的值应根据三

16、角波的幅值决定。一般为了使三角波的幅值可调，常用电位器作为Rp1、Rp2和电容C的值决定三角波的频率f。一般是Rp1和R2的值拟定后，可以先拟定电容C的值，然后由f。=R2/（4Rp2Rp1C）来拟定R4的值.Rp2若采用电位器，则三角波频率可调。为了减小积分漂移，电容C的值尽量取大些，但是C值越大漏电也越大，因此一般C不超过1uF；集成运放的选择用于比较器的运放规定速度应当高些。通过变化反馈网络中的变阻RP3的阻值可以变化正弦波的输出波形的幅值；之后方波的输出波形也随之拟定；通过变化变阻RP4的阻值可以变化三角波的输出波形的幅值。3.3正弦波仿真在变阻RP1、RP2比例分别为50%，RP3比

17、例为25%，示波器输出的波形如下图所示。图3-2 正弦波仿真视图由图可知T1的时间为1.315s，通道A为-1.660V。T2的时间为1.338s，通道A为1.658V。由此可知仿真出的正弦波的幅值为：1.660V；峰-峰值为：3.318V；周期为46.154ms。3.4方波仿真图3-3方波仿真视图由图可知T1的时间为736.976ms，通道A为-6.834V。T2的时间为760.908ms，通道A为6.812V。由此可知仿真出的正弦波的幅值为：6.812V；峰-峰值为：13.646V；周期为47.864ms。3.4三角波仿真图3-4三角波仿真视图由图知T1的时间为5.516s，通道A为-2.

18、554V。T2的时间为5.180s，通道A为2.513V。由此知仿真出的正弦波的幅值约为：2.554V；峰-峰值为：5.067V；周期为24.786ms。结论通过几天的制作我的课题方波三角波正弦波函数发生器已经做了出来，一开始感觉这样的东西挺简朴的，只要找到资料就会很容易的制作出来，但当我真正的操作起来才发现尚有好多的问题。如波形的转换，方波转换成三角波，最后再转换成正弦波，弄了很长时间才弄明白。 这次的课题设计还让我体会到了理论与实际相结合的重要性，如果你只注重理论学习而不去锻炼自己的实践经验，是永远不能把事情做好的，从理论中得出结论，用实践锻炼自己，这才是重要的。同步这次的设计让我也学到了

19、某些课本上没有的知识，提高了我独立思考能力。尚有就是让我纯熟的对Multisim仿真软件的运用，总之这次设计让我深刻地学会了许多东西，也温习了许多此前的知识。道谢本课题设计是我在柏蓬明、盛桂芬教师的悉心关怀和精心指引下完毕的。 在此，我要感谢我的指引教师，在她们循循善诱的教导和不拘一格的教学思路给了我无尽的启迪，她们高度的敬业精神对我也产生了重要影响。在您的细心指引和协助下我才可以不久的选择好课题完毕这篇设计。 感谢我的每一位亲人，是你们的支持使我在学校的继续求学，焉得谖草，言树之背。养育之恩。无以回报、父母，永远健康是我最大的心愿。在设计即将截稿之时，我的心情无法安静，从开始进入课题到设计的顺利完毕，有诸多可敬的师长、同窗、朋友给了我无言的协助，在这里请接受我诚挚的谢意！参照文献1吴友宇 模拟电子技术基本M 清华大学出版社 2刘 岚 电路分析M 科学出版社 3童诗白 模拟电子技术基本（第三版）M 北京高教出版社 4胡宴如 模拟电子技术 M 北京高等教育出版社 5康华光 电子技术基本（模拟部分）M 高等教育出版社 19996王远 模拟电子技术基本（第3版）M 机械工业出版社 7孙肖子 模拟电子电路及技术基本M 西安电子科技大学出版社