多功能锯齿波产生器设计报告

电子技术课程设计

报告书

课 题： 多功能锯齿波产生器 院 （系）： 机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学生姓名： 学 号：

题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发

2011年01月07日

目录

一． 前言------------------------------------------------------------

二． 正文------------------------------------------------------------

1． 系统概述------------------------------------------------- 2． 单元电路设计、仿真与分析---------------------------------- 3． 电路的安装与调试------------------------------------------ 4． 结束语---------------------------------------------------- 5． 参考文献--------------------------------------------------

三． 元器件明细表-------------------------------------------------

四． 附图-------------------------------------------------------------

前言

1. 设计内容：运用集成运算放大器为主要器件，设计—个锯齿波产生电路。 2．性能指标要求：

(1)在控制开关的作用下，能实现单周期扫描、间歇扫描、连续扫描和停止扫描控制功能 (2)具有输出幅度调节、直流偏置调节和扫描周期调节功能； (3)输出幅度在正负10V范围内可调．线性度优于0.01％。

3. 资料收集与工作过程：我们两人先明确了设计的目的以及条件，然后分工收集资料，一人在网上收集相关资料，一人到图书馆查借资料。在综合各个资料后绘制出了产生锯齿波的基本电路，后根据相关要求去改进电路以满足题目要求，经过在电脑软件上仿真，并一点点改进，最后得到仿真结果。得出原理图后，我们用protel绘制pcd图并且打印， 腐蚀得铜板后在铜板上焊接元件，焊好电路板后拿到实验室调试。

一、系统概述

锯齿波发生器是运用相关器件组合而产生的电路，其中一个非常重要的部件就是集成运算放大器，以及由集成运算放大器组成的滞回比较器、积分器。用集成运放实现的电路结构简单，调整方便。如果在三角波发生电路中,有意识地使积分电路充电和放电的时间常数相差悬殊,则在积分电路的输出端即可得到锯齿波信号。要实现幅度可调,则需将控制输出电压幅度的相应参数设置成可调参数即可。

器件与单元电路的介绍：集成运算放大器，滞回比较器，积分电路，同向比例运算电路，求和运算电路。

二、单元电路设计、仿真与分析

1.工作原理

图1锯齿波发生器

假设初始时刻滞回比较器输出端为高电平，而且假设积分电容上的初始电压为零。由于A1同相输入端的电压U+同时与Uo1和Uo有关，根据叠加原理，可得：

U＝R1R2Uo1Uo （7）

R1R2R1R2则此时U+也为高电平。但当Uo1＝Uz时，积分电路的输出电压Uo将随着时间往负方向线性增长，U+随之减小，当减小至UU0时，滞回比较器的输出端将发生跳变，使

Uo1＝Uz，同时U+将跳变为一个负值。以后，积分电路的输出电压将随着时间往正方向

线性增长，U+也随之增大，当增大至UU0时，滞回比较器的输出端再次发生跳变，使Uo1＝Uz,同时U+也跳变为一个正值。然后重复以上过程，于是可得滞回比较器的输出电压Uo1为矩形波，而由于积分电路的充放电时间不等，故积分电路输出电压Uo为锯齿波。如图6所示：

图2 锯齿波发生电路的波形图

由上图可知，当Uo1发生跳变时，锯齿波输出Uo达到最大值Uom，而Uo1发生跳变的条件是：

UU0，将条件Uo1＝Uz，U0代入（7）式，可得：

0＝R1R2（-Uz）Uom （8）

R1R2R1R2由此可解得锯齿波输出的幅度为：Uom＝(9)

R1Uz R2要使得幅度可调，由（9）式可知，改变参数R1即可，所以实际电路中R1采用滑动变

阻器；调节滑动变阻器即可改变锯齿波的输出幅度。从而满足设计要求。 2.各个部分组成电路及元件

集成运算放大器

图3是集成运放的符号图，1、2端是信号输入端，3、4是工作电压端，5是输出端，在实际中还有调零端，频率补偿端和偏置端等辅助端。集成运算放大器的输入级通常由差分放大电路组成，因此一般具有两个输入端以及一个输出端。图中标有“+”号的是同相输入端，标有“—”号的是反相输入端，当信号从同相端输入时，输出信号和输入信号同相，反之则反相。当集成运放工作在线性区时，它的输入信号电压和输出信号电压的关系是：

UpUnUo （1） Aod式中Aod是运放器的放大倍数，Aod是非常大的，可达几十万倍，这是运算放大器和差分放大器的区别，而且集成运放器的两个输入端对地输入阻抗非常高，一般达几百千欧到几兆欧，因此在实际应用中，常常把集成运放器看成是一个“理想运算放大器”。

理想运算放大器的两个重要指标为： （1）差模输入阻抗为∞； （2）开环差模电压增益Aod为∞。

根据这两项指标可知，当理想运算放大器工作在线性区时，因为其输入阻抗为∞，因此在其两个输入端均没有电流，即在图1中I1I20，如同两点被断开一样，这种现象称为“虚断”。

又因为Aod，根据输入和输出端的关系：UpUnUo，所以认为运放的同相Aod输入端与反相输入端两点的电压相等，如同将该两点短路一样。这种现象成为“虚短”。

“虚短”和“虚断”是理想运放工作在线性区时的两个重要结论，常常作为分析许多运放电路的出发点。当理想运放工作在非线性区时，则“虚短”现象不复存在。

图3集成运算放大器

滞回比较器

滞回比较器具有电路简单、灵敏度高等优点。在比较电路当中，如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变，如在控制系统中发生这种情况，将对执行机构产生不利的影响。滞回比较器则克服了单限比较器的这种缺陷。滞回比较器又名施密特触发器，其电路如图2所示。

图4 滞回比较器电路原理图

输入电压Ui经电阻R2加在集成运放的反相输入端，参考电压Uref经电阻R1接在同相输入端，此外从输出端通过电阻Rf引回同相输入端。电阻R3和背靠背稳压管VDz的作用是限幅，将输出电压的幅度在Uz。

在本电路中，当集成运方反相输入端与同相输入端的电位相等，即UU时，输出端的状态将发生跳变。其中U+则由参考电压Uref及输出电压Uo二者共同决定，而Uo有两种可能的状态：+Uz或－Uz。由此可见，这种比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状，如图3所示。

图5 滞回比较器的传输特性

下面对此电路进行定性的分析：

利用叠加原理可求得同相输入端的电位为： U＝（2）

若原先Uo=+Uz,当Ui逐渐增大时，使Uo从+Uz跳变为—Uz所需的门限电平用UT＋表示，由上式可知：

RfR2UrefUo

R2RfR2RfUT＝RfR2UrefUz （3）

R2RfR2Rf若原先Uo=－Uz，当Ui逐渐减小，使Uo从—Uz跳变为+Uz所需的门限电平用UT－表示，则：

UT＝RfR2UrefUz （4）

R2RfR2Rf上述两个门限电平之差成为门限宽度，用符号UT表示，由以上两式可求得：

UT＝UT－UT＝2R2Uz （5）

R2Rf由此可见，门限宽度UT的值取决于稳压管的稳定电压Uz以及电阻R2和Rf的值，但与参考电压Uref无关。也就是说，当Uref增大或减小时，滞回比较器的传输特性将平行地右移或左移，但滞回曲线的宽度将保持不变。说明滞回比较器的抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT＋和UT—的值，就可以避免比较器的输出电压在高低电平间反复跳变。

积分电路

积分电路时一种应用比较广泛的模拟信号运算电路，它是组成模拟计算机的基本单元，可以实现对微分方程的模拟。同时，积分电路也是控制和测量系统中常用的重要单元，利用其充放电过程可以实现延时、定时以及各种波形的产生。

电路组成如图6，根据理想运放工作在线型区时“虚短”和“虚断”的特点可知：电路的输出电压Uo与电容两端的电压Uc成正比，而电路的输入电压Ui与流过电容的电流ic成正比，即Uo与Ui之间成为积分运算关系。

图6 积分电路

由于集成运放的反相输入端“虚地”，故UoUc可见输出电压与电容两端电压成正比。又由于“虚断”，运方反相输入端的电流为零，则iic，故UiiR1icR即输入电压与流过电容的电流成正比。由以上几个表达式可得：

Uo＝－Uc＝11idt＝Uidt （6） cCRC由此可知，当输入电压为矩形波时，通过积分换算，输出电压即可转变为三角波。 3、电路的仿真

幅度可调锯齿波发生电路包括两部分，一是由集成运算放大器组成的滞回比较器电路，二是由集成运算放大器组成的积分电路。它的主要元器件包括集成运算放大器、电容、电阻、可调电位器、二极管、稳压管等。将滞回比较器的输出电压接在示波器通道A一端，积分电路的输出电压接在示波器的通道B一端，便可对电路进行仿真，得出仿真结果。

图7 锯齿波仿真图

图8 仿真结果

（10）

4、 仿真结果的分析

电路中采用的是虚拟器件，因此有可能影响仿真结果，由图11可知，仿真时锯齿波的最大幅度比理论值稍大。仿真结果同预期结果大体相同。

5.总结

用集成运算放大器实现的锯齿波发生器电路基本上符合了要求；电路优点:它不仅电路简单，器件选择灵活，而且性能较好，市场价格便宜。

电路的不足之处：电路中通过R1引入了深度的负反馈，以保证集成运放工作在线性区，在线性区内，差模输入电压的范围特别小，这就了集成运放输入电压的幅度，如果想得到更大幅度的锯齿波，则不宜采用这种电路。此外，电路中采用了滑动变阻器，在对电路精度要求严格的场合下，不适合采用此电路。

三、元件及器件明细

元器件清单

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9

参考文献

[1] 康华光，模拟电子技术基础（第五版），高等教育出版社，2009。 [2] 康华光，数字电子技术基础（第五版），高等教育出版社，2009。 [3] 李淑明，模拟电子电路实验，电子科技大学出版社，2010。 [4] 邱关源，电路（第四版），高等教育出版社，2009。

元件 5.1V和7.5 V稳压管 二极管1N4148 运放NE5532 电位器100kΩ 电位器50kΩ 10K电阻 1 K、2K、3.3K、27K电阻 UA741 瓷片电容0.1μF、0.01uf、474 2个 3个 1个 4个 1个 4个 各2个 1个 各5个 器件明细