正弦波发生电路

正弦波发生电路

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波形发生电路

要求:设计并制作用分立元件与集成运算放大器组成得能产生方波、三角波与正

弦波得波形发生器、

指标:输出频率分别为:10２H

Z

、１03HＺ

与1０４Ｈｚ;方波得输出电压峰峰值V

PP

≥

２０Ｖ

(１)方案得提出

方案一:

１、由文氏桥振荡产生一个正弦波信号。

２、把文氏桥产生得正弦波通过一个过零比较器

从而把正弦波转换成方波。

3、把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。

方案二:

１、由滞回比较器与积分器构成方波三角波产生电路、

２、然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号。

方案三:

1、由比较器与积分器构成方波三角波产生电路。

２、用折线法把三角波转换成正弦波。

(2)方案得比较与确定

方案一:

文氏桥得振荡原理:正反馈ＲC网络与反馈支路构成桥式反馈电路。当R1=R2、

C1=C２。即ｆ=f

0

时,F=１/3、Au=3、然而,起振条件为Aｕ略大于3。实际操作时,

如果要满足振荡条件R4/R3=２时,起振很慢。如果R4/R3大于2时,正弦波信号顶部

失真。调试困难。ＲC串、并联选频电路得幅频特性不对称,且选择性较差。因此

放弃方案一。

方案二:

把滞回比较器与积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统,就构成三角波发

生器与方波发生器。比较器输出得方波经积分可得到三角波、三角波又触发比较

器自动翻转形成方波,这样即可构成三角波与方波发生器。

通过低通滤波把三角波转换成正弦波就是在三角波电压为固定频率或频率

变化范围很小得情况下使用、然而,指标要求输出频率分别为102Ｈ

Z

、103H

Z

与1

０4Hz。因此不满足使用低通滤波得条件、放弃方案二。

方案三:

方波、三角波发生器原理如同方案二。

比较三角波与正弦波得波形可以发现,在正弦波从零逐渐增大到峰值得过程

中,与三角波得差别越来越大;即零附近得差别最小,峰值附近差别最大、

因此,根据正弦波与三角波得差别,将三角波分成若干段,按不同得比例

衰减,就可以得到近似与正弦波得折线化波形。而且折线法不受频率范围

得限制。

综合以上三种方案得优缺点,最终选择方案三来完成本次课程设计、

(3)工作原理:

１、方波、三角波发生电路原理

该电路由滞回比较器与积分器组成。图中滞回比较器得输出电压,它得输入电压

就就是积分电路得输出电压u０2、则U１Ａ得同相输入端得电位:,令up=un=0,则

阀值电压:;积分电路得输入电压就是滞回比较器得输出电压u01,而且不就是+Uz,

就就是—Uz,所以输出电压得表达式为:;设初态时u01正好从—Uｚ跃变到+Uz,

则:,积分电路反向积分,u02随时间得增长线性下降,一旦ｕ02=－Uｔ,在稍减

小,u0１将从+Uz跃变为－Uz,使式变为:,积分电路正向积分,u０2随时间增长线

性增大,一旦u02＝+Uｔ,再稍微增大,ｕｏ1将从－Uｚ跃变为＋Ｕｚ,回到初态。

电路重复上述过程,因而产生自激振荡。由上分析,u01就是方波,且占空比为50%,

幅值为;u02就是三角波,幅值为、取正向积分过程,正向积分得起始值-Uｔ,终了

值+Ut,积分时间为T/２,代入,得,式中,整理可得:。

2、正弦波发生电路原理

折线法就是用多段直线逼近正弦波得一种方法、其基本思路就是将三角波分成若

干段,分别按不同比例衰减,所获得得波形就近似为正弦波。下图画出了波形得１

/4周期,用四段折线逼近正弦波得情况。图中ＵＩｍax为输入三角波电压幅值。

根据上述思路,可以采用增益自动调节得运算电路实现、利用二极管开关与电阻

构成反馈通路,随着输入电压得数值不同而改变电路得增益、

在ωt＝0°~２5°段,输出得“正弦波”用此段三角波近似(二者重合),因此,此段放

大电路得电压增益为1。由于ωt=25°时,标准正弦波得值为sin25°≈0。423,这里

ｕＯ=uI=２5/90UImax≈0。278ＵIｍａｘ,所以,在ωt=9０°时,输出得“正弦波”

得值应为uO=0。2７8／0。4２3UＩmaｘ≈0.６５7UＩmaｘ。

在ωt＝５0°时,输入三角波得值为uI=５0／90UImax≈０。55６UＩmａx,要求输

出电压uO＝0。657UImaｘ×sin50°≈0。503ＵIｍaｘ,可得在２5°～5０°段,电路

得增益应为ΔuO/ΔuI=(0。50３−0.278)/(０、5５6−0.278)=0、8０９。

在ωt=７０°时,输入三角波得值为ｕI=7０/９０UＩmaｘ≈0、7７８UImaｘ,要

求输出电压uO=0.657ＵImａx×ｓｉn70°≈０。６１7UＩmax,可得在5０°～7０°

段,电路得增益应为ΔuＯ/ΔｕI=(0６17−0。5０3)/(０。77８−0、556)=0。5

１4、

在ωt=90°时,输入三角波得值为ｕI=UImax,要求输出电压uＯ≈0、６57UIｍax,

可得在70°~90°段,电路得增益应为ΔｕO/ΔuI=(０。65７−０、６１7)/(１−０。

778)=０、1８0。

下页图所示就是实现上述思路得反相放大电路。

图中二极管D3～Ｄ5及相应得电阻用于调节输出电压u０3〉０时得增益,二极管

D6~D8及相应得电阻用于调节输出电压ｕ03<0时得增益、

电路得工作原理分析如下。当输入电压uI＜0.27８ＵImax时,增益为1,要求图

中所有二极管均不导通,所以反馈电阻Rf＝R11。据此可以选定Rf=R11=R6得阻

值均为1kΩ。当ωt=25°～50°时,电压增益为0、809,要求D1导通,则应满足:,

解出R13=4。23６kΩ。由于在ωｔ=25°这一点,D1开始导通,所以,此时二极管

D1正极电位应等于二极管得阈值电压Ｖth。由图可得:,式中ｕ03就是ωt=25°时

输出电压得值,即为０、2７8UImax。取UIｍax=10Ｖ,Uｔｈ＝0。7V,则有解出R

１4=31。97ｋΩ、电阻取标准值,则Ｒ１3=4、22kΩ,R1４=3１、６kΩ。其余分析如

上。

需要说明,为使各二极管能够工作在开关状态,对输入三角波得幅度有一定得要求,

如果输入三角波得幅度过小,输出电压得值不足以使各二极管依次导通,电路将无

法正常工作,所以上述电路采用比列可调节得比例运算电路(U3A模块)将输出得

三角波得幅值调至。

(4)元件选择:

①选择集成运算放大器

由于方波前后沿与用作开关得器件Ｕ1A得转换速率SR有关,因此当输出方波

得重复频率较高时,集成运算放大器A1应选用高速运算放大器。

集成运算放大器U２B得选择:积分运算电路得积分误差除了与积分电容得质量

有关外,主要事集成放大器参数非理想所致。因此为了减小积分误差,应选用输入

失调参数(VI0、Ｉｉ0、△Ｖi0/△T、△Ii0／△Ｔ)小,开环增益高、输入电阻高,

开环带较宽得运算放大器。

反相比例运算放大器要求放大不失真、因此选择信噪比低,转换速率SR高得运算

放大器、

经过芯片资料得查询,ＴL082双运算放大转换速率ＳＲ=14V／us。符合各项指标

要求、

②选择稳压二极管

稳压二极管Dz得作用就是限制与确定方波得幅度,因此要根据设计所要求得方

波幅度来选稳压管电压Dz。为了得到对称得方波输出,通常应选用高精度得双向稳

压管

③电阻为1/4W得金属薄膜电阻,电位器为精密电位器。

④电容为普通瓷片电容与电解电容、

(5)仿真与调试

按如下电路图连接

连接完成后仿真,仿真组图如下

仿真完成后开始焊接电路,焊接完成后开始调试,调试组图如下:

、

(５)总结

该设计完全满足指标要求。

第一:下限频率较高:７0hｚ。

原因分析:电位器最大阻值与相关电阻阻值得参数不精确、

改进:用阻值精密电位器与电阻、

第二:正弦波在100００HZ时,波形已变坏。

原因分析:折线法中各电阻阻值不精准,TL082CＤ不满足参数要求、

改进:采用精准电阻,用NE５5３2代替TL082CD。。

(6)心得体会

“失败乃成功之母”。从始时得调试到最后完成课程设计经历了多次失败。不能半途

而废,永不放弃得精神在自己选择得道路上坚持走下去！在这次设计过程中,体现出

自己单独设计得能力以及综合运用知识得能力,体会了学以致用。并且从设计中发现

自己平时学习得不足与薄弱环节,从而加以弥补。时,这次模拟电子课程设计也让我

认识到以前所学知识得不深入,基础不够扎实,以致于这次在设计电路图得时候,需

要重复翻阅课本得知识。我深深知道了知识连贯运用得重要性。

(7)参考书目:

1、童诗白、华成英,《模拟电子技术基础》

2、吴慎山,《电子技术基础实验》

3、周誉昌、蒋力立,《电工电子技术实验》

４、广东工业大学实验教学部,《Mulｔisim电路与电子技术仿真实验》

(8)元件清单

元件类型元件序号元件型号数量

集成运放U１Ａ、U２B、U3Ａ、U4ＢＴＬ082CD2

稳压管D1D21N４742Ａ2

二极管D3Ｄ4Ｄ５D６Ｄ7

D8

1Ｎ4007６

电解电容Ｃ１10０UF1

瓷介电容C２１00NＦ1

电位器R８500K1

R１2１０0K1

金属膜电阻R1Ｒ３R4R5R9R1010K６

R21０0K1

R７2４０１

Ｒ６Ｒ１11K１

R14Ｒ1931。6K2

R１3R2０4。2２K2

R１5R２1５、11Ｋ２

Ｒ16R221、4K2

R１7R236492

Ｒ18Ｒ242262