1、电路 CAD 课程设计报告题 目 波 形 发 生 器 学生姓名 学 号 学 院 专 业 指导教师 2011 年 12 月 18 日- 1 -摘 要波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。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，也可以采用集成电路。本次波形发生器设计要求产生方波和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转
2、换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。关键词：波形发生器，三角波，方波，电路原理图，PCB 图 - 2 -目 录1 设计任务与要求.31.1 设计要求.31.2 设计任务.32 方案选择 .33 单元电路设计.53.1 矩形波发生器电路.53.2 三角波发生器电路.63.3 电源电路.63.4 单元电路计算.74 电路板图设计.104.1 总原理图.105 设计结论146 参考文献.14- 3 -波形发生器1、设计任务与要求1.1 设计要求：使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为 fo =
3、5 kHz 的方波，其电压幅度为+ Vs = | Vs| = 14V。同时产生一个频率为 fo = 5kHz 的三角波，其幅度为+ Vt = | Vt| = 5V。波形发生器方框图见图（图 1） 。1.2 设计任务：1.2.1 方波发生器设计；1.2.2 三角波发生器设计；1.2.3 电源电路设计。2、方案选择波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。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（如视频信号函数发生器 S101 全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块 5G8038） 。本次波形发生器设
4、计要求产生方波和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。系统原理框图如下示：模拟电路实现方案方波发生器电路 三角波发生器电路电源电路波形发生器方框图- 4 -用正弦波发生器产生正弦波信号，然后用过零比较器产生方波，再经积分电路产生三角波，电路框图如上示。此电路结构简
5、单，且有良好的正弦波和方波信号。但经过积分电路产生同步三角波信号，存在难度。原因是积分器电路的积分时间常数是不变的，且随着方波信号频率的改变，积分电路输出的三角波的幅度同时改变。若要同时保持三角波的输出幅度不变，须同时改变积分时间常数的大小。系统原理框图如下示：若用运放完成，则选定用比较器，比较器器有好多种，比如单限比较器，滞回比较器，窗口比较器等等。虽然单限比较器很灵敏，但是抗干扰能力差。滞回比较器具有滞回特性，即具有惯性，因而也就是具有一定的抗干扰能力。从而选择滞回比较器。由于本次波形发生器设计要求产生方波和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入
6、端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。3 .单元电路设计3.1 矩形波发生器电路矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输
7、出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。下图是矩形发生器电路，它由反相输入的滞回比较器和 RC 电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过 RC 充，放电实现输出状态的自动转换。方波发生器电路 三角波发生器电路电源电路波形发生器方框图- 5 -矩形发生电路原理：将输出电压 U0 经过 RC 积分电路，利用电容的充放电电压取代外加输入信号送入比较器反相端，与同相端上的门限电压相比较，使比较器的输出不断发生转化，从而形成高低电平周期性交替的矩形振荡波形。接通电源的瞬间，电容 C 的初始电压为 0，电路输出电压 U0 使高电平或
8、者低电平是随机的，假设输出电压为高电平 U0=+UZ，则运放的同相输入端电位是 U+=UT+.(1)u0 通过 R 对电容 C 正向充电，使 UC 增加，当 UC 上升到略大于 UT+，比较器输出电压发生反转，U0 由+UZ 变为-UZ，同相端的电位 U+由 UT+变为UT-。(2)UC 通过 T 对电容反向放电，使 UC 减小，当 UC 减小到略小于 UT-，比较器输出电压发生反转，U0 由-UZ 变为+UZ，同相端的电位 U+由 UT-变为 UT+。3.2 三角形波发生器电路在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值电压数值比较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波的线
9、性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算的输出就得到三角波电压。如下图所示。- 6 -三角波产生电路3.3 电源电路本设计还要求有电源电路。 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流 Io、输出纹波电压 U op-p 等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。下图为稳压电源.输出电压可调的稳压电源- 7 -3.4 单元电路计算3.4.1 频率计算公式：由于 R3 是可调电阻，可调范围为 0100K，所以频率 f 的可调范围为50050M。当可
10、调电阻 R3 为 10K 时，达到本次设计要求的 5KHz。在本次设计中，为了满足负载的需要，在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，从而获得合适的 Ut 。为了产生幅度相同的矩形波，两个稳压管的特性必须相同，如图（6） 。本次设计采用两稳压管反向串接，其中稳压电压为 14V，正向导通电压为0.9717V。所以 Uz 的值为 14.9717V。3.4.2 幅度的计算公式：Ut=R1Uz/R2Ut=14.9717V。如果电路图仅此而已，如下图所示，则幅度改变的话，频率就跟着改变。如何使调频率和调幅度不相互影响幅度改变频率就跟着改变的信号发生器- 8 -对应的信号发生器输出波形可以在输出端 Ut 处加
11、一跟随器，这样调频和调幅可互不影响。如下图所示：- 9 -调频和调幅可互不影响的信号发生器对应的调频和调幅可互不影响的信号发生器输出波形- 10 -4 电路板图设计4.1 总原理图4.1.1 用 EWB 仿真设计a用 EWB 绘制的电路图：EWB 绘制波形发生器b用 EWB 仿真的波形图：- 11 -EWB 绘制波形发生器仿真结果4.1.2 用 Protel 模拟电路a.用 Protel 绘制的原理图OPAMP1 OPAMP2OPAMP3OPAMP4R215KR1 10KR3 10R510KR4 2.5KR6 8KR7 8KD2D1C1 0.2C2 100C3 100BT515VBT6 15V
12、BT215VBT115VBT3 15VBT415V BT715VBT815Vb.用 Protel 绘制的原理图 ERC 检查c.用 Protel 绘制的原理图生成网络表- 12 -d.用 Protel 绘制的 PCB 板：用 Protel 绘制的原理图封装 PCB 板- 13 -4.1.3 元件清单及封装：元件序号型号 主要参数 封装 数量 备注R1 RES2 10k AXIAL0.3 1R2 RES2 15k AXIAL0.3 1R3 RES2 10k AXIAL0.3 1R4 RES2 2.5k AXIAL0.3 1R5 POT2 10k VR2 1R6 POT2 8k VR2 1R7 P
13、OT2 8k VR2 1C1 CAP 0.2uF RAD0.4 1C2 CAP 100uF RAD0.4 1C3 CAP 100uF RAD0.4 1D1 DIODE SCHOTTKYDIODE0.4 1D2 DIODE SCHOTTKYDIODE0.4 1OPAMP1OPAMP DIP6 1OPAMP2OPAMP DIP6 1OPAMP3OPAMP DIP6 1OPAMP4OPAMP DIP6 1BT1 BATTERY 15v RAD0.4 1BT2 BATTERY 15v RAD0.4 1BT3 BATTERY 15v RAD0.4 1BT4 BATTERY 15v RAD0.4 1BT5
14、 BATTERY 15v RAD0.4 1BT6 BATTERY 15v RAD0.4 1BT7 BATTERY 15v RAD0.4 1- 14 -BT8 BATTERY 15v RAD0.4 15 .设计结论通过本次课程设计，学会了通过使用 EWB 仿真，产生平时示波器上才有的方波和三角波波形。成功的使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为 fo = 5 kHz 的方波，其电压幅度为+ Vs = | Vs | = 15V。同时产生一个频率为 fo = 5kHz 的三角波，其幅度为+ Vt = | Vt | = 5V。并通过自己的实践，利用 Protel 软件制作简易波形发生器的电路以及 PCB 板。这次设计在网上查找资料和老师同学们的帮助下，最终达到了设计的目的，非常感谢老师的指导，同时也看到了自己的不足。以后将更加努力，多做才能熟练，本次课程设计将在以后的工作中给予巨大的启示！6 .参考文献电路 CAD 讲义 萧宝瑾太原理工大学电路 CAD 课程设计教学大纲（08）课程设计报告说明- 15 -
