【正文】 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 1 方波 三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì) 1 技術(shù)指標(biāo) 設(shè)計(jì)一個方波 三角波產(chǎn)生電路，要求方波和三角波的重復(fù)頻率為 500Hz，方波脈沖幅度為 ，三角波為 ，振幅基本穩(wěn)定，振蕩波形對稱，無明顯非線性失真。 2 設(shè)計(jì)方案及其比較 產(chǎn)生方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以 直接 產(chǎn)生三角波 — 方波。由比較器和積分器組成方波 — 三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波。 方案一 非正弦波發(fā)生器的組成原理是 電路中必須有開關(guān)特性的器件，可以是電壓比較器，、集成模擬開關(guān)、 TTL 與非門等；具有反饋網(wǎng)絡(luò)，它的作用是通過輸出信號的反饋，改變開關(guān)器件的狀態(tài)；具有延遲環(huán)節(jié)，常用 RC 電路充放電來實(shí)現(xiàn)；具有其他輔助部分，如積分電路等。 矩形經(jīng)過積分器就變成三角波形，即三角波形發(fā)生器是由方波發(fā)生器和反向積分器所組成的。但此時要求前后電路的時間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。 如圖 1 所示為該電路設(shè)計(jì)圖。 由集成運(yùn)算放大器構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器，一般均包括比較器和 RC 積分器兩大部分。如圖所示為由遲滯比較器和集成運(yùn)放組成的積 分電路所構(gòu)成的方波和三角波發(fā)生器 。1U 構(gòu)成遲滯比較器，用于輸出方波； 2U 構(gòu)成 積分電路 ，用于把方波轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣?，即輸出三角波? 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 2 圖 1 方案一電路設(shè)計(jì)圖 U1 構(gòu)成遲滯比較器，同相端電位 pV 由 1OV 和 2OV 決定。利 用疊加定理可得 ： 2121 121121 1 )()( OVVOVP VRRR RRVRRR RV ??? ?????? 當(dāng) 0?PV 時， U1 輸出為正，即 ZO VV ??1 當(dāng) 0?PV 時， U1 輸出為負(fù)，即 ZO VV ??1 2U 構(gòu)成反相積分器 ， 1OV 為負(fù)時， 2OV 正向變化 。 1OV 為正時， 2OV 負(fù)向變化。 當(dāng)ZVO VRR RV ??? 12 12時，可得： 0)()()()( 12 1121 12121 1 ?????? ??????? ZVVVZVP VRR RRRR RRVRRR RV 當(dāng) 2OV 上升使 PV 略高于 0v 時， U1 的輸出翻轉(zhuǎn)到 ZO VV ??1 同樣，ZVO VRR RV ???? 12 12時，當(dāng) 2OV 下降使 PV 略低于 0 時， ZO VV ??1 。 這樣不斷重復(fù)就可以得到方波 1OV 和三角波 2OV ，輸出方波的幅值由穩(wěn)壓管決定，被限制在 ZV? 之間。 積分電路的輸入電壓是滯回比較器的輸出電壓 1OV ，而且 1OV 不是 ZU? ，就是 ZU? ，所以輸出電壓的表達(dá)式為： 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 3 )()()( 1 02021242 tVttVCRRV OOVO ????? (1) 式中 )(02tVO 為初態(tài)時的輸出電壓。設(shè)初態(tài)時 1OV 正好從 ZU? 躍變?yōu)?ZU? ，即該式又可寫為： )()()( 1 0202142 tVttUCRRV OZVO ????? (2) 積分電路反向積分， 1OV 隨時間的增長線性下降，根據(jù)遲滯比較器的電壓傳輸特性，一旦TO UV ??2 ，再稍減小， 1OV 將從 ZU? 躍變?yōu)?ZU? ，使得二式變?yōu)椋? )()()( 1 1212242 tVttUCRRV OZVO ???? 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓直接決定輸出方波的幅度大小，即 方波的幅度 為： ZO VV ??1 三角波的幅度 為： zVO VRR RV 12 12 ?? （ 3） 方波、三角波的頻率 為： 224112 )(4 CRRR RRfVV??? （ 4） 其中，由上式可看出 調(diào)節(jié)電位器 1VR 可改變?nèi)遣ǖ姆?，但會影響方波、三角波的頻率；調(diào)節(jié)電位器 2VR 可改變方波、三角波的頻率，但不會影響方波、三角波的幅度。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)指標(biāo)， 要求方波和三角波的重復(fù)頻率為 500Hz，方波脈沖幅度為 ，三角波為 ，再結(jié)合已經(jīng)給定的實(shí)驗(yàn)器材，我們可以取： uFKRKRKRKKRKRKRV 315 540R 2030 202524V1321??????????????? 對于滑阻在電路運(yùn)行過程當(dāng)中應(yīng)該調(diào)整為何值，我們除了通過以上公式計(jì)算外，還可以通過相應(yīng)軟件進(jìn)行仿真，不斷調(diào)整滑阻阻值的大小，通過觀察波形的幅度和頻率，來 確定滑阻滑片的位置。 通過仿真，確定了滑阻滑片的位置，調(diào)節(jié)滑片位置，使得 1VR 與 2VR 的值均為 %56 如圖 1 中 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 4 所示。 方案二 電路設(shè)計(jì)圖如圖所示： 圖 2 方案二電路設(shè)計(jì)圖 如圖 2，該圖的基本原理是：前半部分的電路構(gòu)成一個 RC 正弦波振蕩電路，用于產(chǎn)生正弦波，具體細(xì)節(jié)見如下圖 3（對原電路圖的部分放大）所示：由 4321 R R C C 構(gòu)成一個正反饋兼選頻網(wǎng)絡(luò)。 取輸出電壓為 0U ，反饋電壓（由于該電路為 RC 正弦波振蕩電路，即反饋電壓也為輸入電壓）為 fU ，反饋系數(shù)為 F 即 )1(311//11//0 RCRCjCjRCjRCjRUUF f???????????? 令 RC10 ?? 則 RCf ?2 10 ? 代入上式得出： )(3100 ffffjF ??? （ 5） 即當(dāng) 0ff? 時， 31?F ||31||0UUf ? oF 0?? 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 5 圖 3 方案二電路部分結(jié)構(gòu)明細(xì)圖 由上式分析可知，只要為 RC 串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)匹配一個電壓放大倍數(shù)等于 3 的放大電路就可構(gòu)成 RC 正弦波振蕩電路 21 R R 構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，取 2 端電壓為 NU ， 3 端電壓為 PU ，由以上分析可知， 031UUU fP ?? 又 PN UU ? PN URR RU 21 2?? （ 6） 由上式代入得： 21 2RR? 考慮到起振條件，所選放大電路的電壓放大倍數(shù)應(yīng)略大于 3。 由于 要求方波和三角波的重復(fù)頻率為 500Hz，即 HzRCf 5002 10 ?? ? 再結(jié)合 已經(jīng)給定的實(shí)驗(yàn)器材，我們可以?。? ????? ???? KRuFCC KKR 10R 21 4321 21 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 6 R51kD1DI O DED2DI O DEU2O P A M PR61 0 k+ 8 8 .8A C V o l t sD31 N47 2 8 AD41 N47 2 8 A 圖 4 方案二電路部分結(jié)構(gòu)明細(xì)圖 再看中間的部分，如上圖 4 所示： 運(yùn)放與二極管 21 D D 一起構(gòu)成電壓比較器，用于將輸入的正弦波轉(zhuǎn)成方波， 5R 起分壓作用，防止因電壓過大而損壞二極管 21 D D 。 43 D D 為穩(wěn)壓管，用于控制其輸出波形的幅度大小， 6R 與 5R 的功能一樣，用來保護(hù)穩(wěn)壓管不被損壞。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓直接決定輸出方波的幅度大小。 在分析末端電路，如圖 5 所示，該電路為一積分器，用于把方波轉(zhuǎn)化為三角波，取 7R左端電壓為 1u ，流經(jīng) 7R 的電流為 Ri ，流經(jīng) 3C 的電流為 ci 電路中， 3C 中電流等于電阻 R 中電流 71Ruii RC ?? 輸出電壓與電容電壓關(guān)系為 Cuu ??0 而電容電壓等于其電流的積分， 故 ?? ???? dtuRCdtiCu IC 110 求解得： )()(110120 tuttuRCu I ???? （ 7） 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 7 D31 N47 2 8 AD41 N47 2 8 AR73 0 kU3O P A M PC30 .0 5 u FR83 0 k 圖 5 方案二電路部分結(jié)構(gòu)明細(xì)圖 已知 三角波的重復(fù)頻率為 500Hz， 已產(chǎn)生 方波脈沖幅度為 6V， 要求 三角波 幅度 為， 再結(jié)合已經(jīng)給定的實(shí)驗(yàn)器材，我們可以取 uFCKR 30 37 ??? R8 起平衡電阻的作用，取值應(yīng)與 R7 一樣，即 ?? KR 308 至此，整個方案 2 的元件參數(shù)已全部確定。即為： ??????????????KRuFCKRKRuFCCKKR30 30 10R 21837432121 方案 三 方案三的電路原理圖如下圖 6 所示，最左端的電路為觸發(fā)電路，用于產(chǎn)生一個微小的含有豐富頻 率的電流。如圖由 2143211 DDCRRRRU 一起外加觸發(fā)電路構(gòu)成一個方波發(fā)生電路。 1652 C R R U 一起構(gòu)成一個積分電路，用于將輸入的方波轉(zhuǎn)化為三角波。 因?yàn)榫匦尾妷褐挥袃煞N狀態(tài)，不是高電平，就是低電平，所以電壓比較器是它的重要組成部分；因?yàn)楫a(chǎn)生振蕩，就是要求輸出的兩種狀態(tài)自動的相互轉(zhuǎn)換，所以電路中必須引入反饋；因?yàn)檩敵鰻顟B(tài)應(yīng)按一定的時間間隔交替變化，即產(chǎn)生周期性變化，所以電路中要有延遲環(huán)節(jié)來確定每種狀態(tài)的延遲時間。圖 6 左半部分為矩形波發(fā)生電路， 它由反向輸入的滯回比較器和 RC 電路組成。 RC 回路既作為延時環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過 RC 充 武漢理工大學(xué)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)（一）》課程設(shè)計(jì)說明書 8 放電實(shí)現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換。 圖中滯回比較器的輸出電壓 ZUu ??0 ，閘值電壓 ZT URR RU 21 1???? （ 8） 因而其電壓傳輸特性如圖 7 所示 圖 6 方案三電路原理圖 設(shè)某一