模拟电子技术 项目课 多种波形发生器（方波、三角波、正弦波）
一、题目：多种波形发生器
设计一个能产生方波、三角波、正弦波的波形发生器
二、技术指标
1. 输出的各种波形工作频率范围：0.02-20KH连续可调
2. 正弦波幅值±10V，失真度小于1.5%；
3. 方波幅值±5V；
4. 三角波峰-峰值±10V；
三、设计思路
波形发生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件获得所要求的波形信号输出。波形发生电路的关键部分是振荡器，而设计振荡器的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。
四、要求
（1）收集资料、消化资料；
（2）选择原理电路，分析并计算电路参数；对电路进行仿真（multisim,软件）。
（3）绘制电路原理图一张(用A4纸，multisim)；
（4）生成元件明细表一张(用A4纸)，用工具生成；
（5）撰写设计报告一份，要求字数在2000字左右。
五、注意事项
（1）作图必须规范，图幅清洁干净；
（2）设计报告内容详细，叙述清楚，计算准确，有根有据。
目录
一、题目....................................................................................................................... 1
二、技术指标…............................................................................................................1
三、设计思路................................................................................................................1
3.1问题分析.............................................................................................................2
3.2方案提出.............................................................................................................2
四、功能设计................................................................................................................3
4.1 桥式RC正弦波振荡产生电路..........................................................................3
4.1.1正弦波振荡器电路.....................................................................................3
4.1.2起振条件.....................................................................................................3
4.1.3选频环节...........................................................................................……..3
4.2 正弦波方波转换路............................................................................................4
4.3 方波三角波转换电路........................................................................................5
五、单元电路的设计及参数计算................................................................................5
5.1集成芯片简介..............................................................................................…...5
5.1.1 UA741芯片.................................................................................................5
5.1.2 UA741芯片引脚和工作说明.....................................................................6
5.2参数计算.............................................................................................................6
5.2.1正弦波方波转换电路.................................................................................6
5.2.2方波三角波转换电路.................................................................................7
六、整体电路原理图....................................................................................................8
七、电路仿真与分析......................................................................…………………..8
7.1正弦波仿真结果................................................................................................ 8
7.2方波仿真结果.................................................................................................... 9
7.3三角波仿真结果...............................................................................................10
7.4正弦波方波转换仿真结果...............................................................................10
7. 5方波三角波转换仿真结果...............................................................................11
7.6 总的仿真结果................................................................................................. 12
八、元器件清单.................................……………………………………………….12
九、心得体会............................................................................................................. 13
十、参考文献............................................................................................................... 13
《模拟电子技术基础A》项目课任务书
一、题目
多种波形发生器：设计一个能产生方波、三角波、正弦波的波形发生器
二、技术指标
(1) 输出的各种波形工作频率范围：0.02-20KH连续可调；
(2) 正弦波幅值±10V，失真度小于1.5%；
(3) 方波幅值±5V；
(4) 三角波峰-峰值±10V；
三、设计思路
波形发生电路通常可采用多种不同电路形式和元器件获得所要求的波形信号输出。波形发生电路的关键部分是振荡器，而设计振荡器的关键是选择有源器件，确定振荡器电路的形式以及确定元件参数值等。
3.1问题分析
在通信工程、电子工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域经常需要用到各种各样的信号波形发生器。用正弦波发生电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标都有了很大的提高。因此本设计意在用UA741放大器设计一个产生正弦波波-方波-三角波的函数转换器。为了使这三种波形实现转换需要设计一个电路将交流电转换成正弦波继而将正弦波转换成方波和三角波。首先交流电源通过RC正弦波振荡产生电路转换为正弦波，正弦波通过一个滞回比较器转换为方波，最后经过积分电路转换为三角波。从而实现转换器的设计。
3.2方案提出
由RC正弦波振荡产生电路产生正线电压，输出的正弦波经过滞回比较器得到方波，方波到三角波的变换电路主要由积分电路来完成。
3.3原理框图
图一 原理框图
四、功能设计
4.1 桥式RC正弦波振荡产生电路
4.1.1正弦波振荡器组成：
正弦波振荡器由四部分组成：放大电路，选频网络，反馈网络和稳幅电路。常用的正弦波振荡器有电容反馈岩兆振荡器和电感反馈振荡器两种。后者输出功率小，频率较低；而前者可以输出大功率，频率也较高。我采用的电路图如图二所示。RC串并联电路作为正反馈回路和选频网络，这是振荡电路必不可少的部分，RC串并联网络同时实现了两个功能。其引入的负反馈超过正反馈，便可以减小工作频率的谐波成分，减少波形失真，改善波形。
4.1.2起振条件
在起振过程中，刚接通电源时电路中存在各种电扰动，通过频率选择网络，通过反馈产生较大的反馈电压。通过线性放大和反馈的连续循环，振荡电压将不断增加。如图三为 RC正弦波振荡产生电路幅频、相频特性曲线，由图三可知当AF＞1时，即当F等于三分之一时，电路起振。
4.1.3选频环节
振荡幅度的增长过程不可能永无止境的延续下去，当放大器逐渐从饱和区或截止区移向饱和区或截止区时。在非线性状态下工作时，增益逐渐减小。当放大器增益减小时，环路增益减小到1，振幅增长过程停止，振荡器达到平衡。每个RC电路根据选择电阻及电容大小的不同都会有一个固定的震荡频率.而RC电路本身具有阻直通交的作用。由于本项目要求输出的各种波形工作频率范围为0.02-20KH连续可调，所以本次选用一个定值电阻与一个电位器串联来实现频率的可调。
图二 桥式RC正弦波振荡产生电路 图三 RC正弦波产生电路幅频、相频特性曲线
4.2 正弦波方波转换电路
方波产生电路，该模块由滞回比较器组成，其功能为产生方波。由于集成运放工作处于非线性状态，即输入信号对电路阈值电压起了决定性作用稳压管D1、D2的作用是钳位，将滞回比较器输出电压稳定在正负Uz。那么他的输出就只有以下两种可能：正向饱和电压+U和负向饱和电压-U。当|+U|>|-U|时，输出正饱和电压，反之输出负饱和电压。如此，便形成了方波的信号输出。滞回比较器工作原理当输入信号逐渐增大或减少时，它有两个阈值，其传输特性具有“滞回”曲线的形状。
图四 正弦波方波转换电路 图五 方波三角波转换电
4.3 方波三角波转换电路
三角波产生电路，该模块主要功能是将方波通过积分电路转换为三角波输出。积分电路可将矩形脉冲波转换为锯齿波或三角波,还可将锯齿波转换为抛物波。电路原理是基于电容的充放电原理，其中重要的是电路的时间常数RC，构成积分电路的条件是电路的时间常数必须大于或等于10倍输入波形的宽度。
幅值分析：
同相滞回比较器的输出高、低电平分别为Uoh=+Uz,Uol=-Uz即为方波的幅值。滞回比较器的阈值电压±Ut为三角波的峰峰值。
五、单元电路的设计及参数计算
5.1集成芯片简介
5.1.1 UA741芯片：
图一 UA741芯片原理图
uA741M，uA741I，uA741C（单运放）是高增益运算放大器，用于军事，工业和商业应用。这类单片硅集成电路器件提供输出短路保护和闭锁自由运作。这些类型还具有广泛的共同模式，差模信号范围和低失调电压调零能力与使用适当的电位。
图二 UA741芯片引脚图
5.1.2 UA741芯片引脚和工作说明:
1和5为偏置(调零端)，2为正向输入端，3为反向输入端，4接地，6
为输出接电源，8为空脚。
表一UA741芯片相关参数
|
参数 |
符号 |
最大额定值 |
|
电源电压 |
VCC |
±20 |
|
差分输入电压 |
Vid |
±30 |
|
输入电压 |
Vi |
±15 |
|
功耗 |
Ptot |
500 |
|
输出短路持续时间 |
Topper |
无限制 |
|
工作温度 |
[-40,+1050] |
|
|
储存温度范围 |
Tstg |
[-65,+150] |
5.2参数计算
5.2.1正弦波方波转换电路
根据电路原理图可以得出：
电路的振荡频率为：，根据项目要求及原理图中的可变电阻的范围，可求得：
改变电路中的R或者C可以调节起振频率，本电路中采用了调节R的方法。由此选频网络选用800Ω的定值电阻与800kΩ的电位器串联，通过滑动电位器达到频率可调的目的。
为了使选频网络特性尽量不受集成运放放大器的输入电阻和输出电阻的影响，应使R7+R1满足 输入电阻＞R7+R1＞输出电阻 ，一般输入电阻约为几百千欧以上，输出电阻约为几百欧以上，故确定 R7、R6为800Ω，R1、R2为800kΩ的电位器， C1、C2为0.01μF。
RC选频网络对于中心频率f0的放大倍数F=1/3，而回路起振条件为AF＞=1。故放大电路的电压放大倍数A=（R3+R4+R5）/R5＞=3，即（R4+R5）/R3＞=2。为了减小失调电流和漂移的影响，选R3为20kΩ的电位器，R4为10kΩ电阻，R5为10kΩ的电位器。
5.2.2方波三角波转换电路:
（1）同相滞回比较器的输出高低电平分别为UOH=+UZ，UOL=-UZ
（2）RC正弦波振荡电路的输出电压UO作为输入电压，A1同相输入端的电位：
令Up1=Un1=0，并将Uo1=±Uz带入得
（3）主要参数估算：
振荡幅值：方波的幅值决定于由稳压管组成的限幅电路，所以：
三角波的幅值:
振荡周期
因题目中要求方波幅值±5V，所以滞回比较器中应选用参数为5V的稳压二极管，R11为2kΩ，R10为10kΩ，R9为500Ω。积分电路中电容为0.13μF，R13为500kΩ，R14为10kΩ，R12为10kΩ。
六、整体电路原理图
图六 总体电路原理图
七、电路仿真与分析
7.1正弦波仿真结果
图七 正弦波仿真结果
由图中示波器可以读出该正弦波的幅值Vamp=10.055V，周期T=9.814ms,频率f=1/T≈0. 102KHz。经理论计算Vamp(理论)=10.000V，T=10.000ms，f0=0.1KHz。误差为：
经计算误差可知，该周期误差仅为1.50%，误差较小，失真度较小，数据可信度较高。
7.2 方波仿真结果
图八 方波仿真结果
由图中示波器数据可以读出，该方波的周期T=9.983ms，幅值V+amp=5.027V，V-amp=-5.027V。
7.3 三角波仿真结果
图九 三角波仿真结果
由图中示波器数据可知，该三角波的峰值分别为+9.544V、-9.544V。周期T=10.152ms。
7.4 正弦波方波转换仿真结果
图十 正弦波方波转换仿真结果
由图中示波器数据可知，正弦波的峰值分别为+10.034V、-10.044V，方波的峰值分别为+5.037、-5.037V。
该电路采用了滞回比较器。在输入正弦电压时，由于集成运放工作处于非线性状态，那么他的输出就只有以下两种可能：正向饱和电压+U和负向饱和电压-U。当|+U|>|-U|时，输出正饱和电压，反之输出负饱和电压。如此，便形成了方波的信号输出。对于该电路，输入信号对电路阈值电压起了决定性作用。
7.5 方波三角波转换仿真结果
图十一 方波三角波转换仿真结果
由图可知，方波的峰值分别为+4.974、-5.037V，三角波的峰值分别为+9.403V、-9.252V。
本部分电路主要采用了积分电路，上一级输出的方波信号，对于本部分电路来说即为输入信号。通过积分电路将方波信号积分，如此便得到了三角波信号。
积分电路计算公式为：
7.6 总的仿真结果
图十二 总的仿真结果
由图可知，正弦波的峰值分别为+10.065V、-9.582V，方波的峰值分别为+5.037、-5.033V，三角波的峰值分别为+8.697V、-9.928V。
八、元器件清单
图十三 元件清单
九、心得体会
通过确定电路的各个参数，我更深入的理解了RC正弦振荡产生电路的原理及实现，由正弦电压和滞回比较器产生方波的原及即实现，方波电压和积分电路产生三角波的原理及实现。在每一次波形失真或者输出为零，会在电路中查找错误，尤其是在三角波信号失真时，最后发现积分电路中的R13C3＞R14 要大于10。在此过程中我增强了我思考和解决实际问题的能力，仿真使课本上所学知识更加具体形象化，加深了我对课本知识的理解和掌握，感受到通过仿真以及自己动手的项目设计，知识和公式的记忆更加牢固。对于此次的课程设计，因为对课本很多地方理解领悟不到位，所以参考了网上资料，然后在Multisim中仿真，再根据课程设计的要求进行修改完善，逐步摸索，进行电路的仿真。
在此过程中我发现了自己学习过程中的很多问题，比如在学习中做得不够透彻，每个知识点在不懂原理的情况下，只是囫囵吞枣，记忆不牢固。在以后的学习中我一定会努力解决，努力提升自己。第一次做课程设计，留下了很深的印象，也让我学到了很多
十、参考文献
[1] 集成电路测试系统显控软件设计与实现[D]. 刘欢.电子科技大学 2019
[2] 任意波形发生器的研制[D]. 庞学文.吉林大学 2005
[3] 嵌入式代码覆盖率统计方法[J]. 周雷. 计算机应用与软件. 2014(05)
[4] LXI任意波形发生器数字电路改进及驱动程序设计[D]. 刘娟.电子科技大学 2012
[5] 基于双DDS的高速任意波发生器实现技术[J]. 田书林,刘科,周鹏. 仪器仪表学报. 2004(04)
Multisim仿真、报告见模拟电子技术项目设计多种波形发生器.zip-专业指导文档类资源-CSDN文库
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