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1、XXXXXXXX学院 课程设计说明书 课程名称：电力电子技术 设计题目：方波产生和波形变换电路 班级：XXXXXXXXXXXXXXX 姓名：XXXX 学号：XXXXXXXXXXX 指导老师：XXXX 设计时间：XXXXXXXXXXXXX 1 摘要 波形发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。随着科技的进步，社会的发 展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求，而我们设计的正是多种波形发 生器。本设计将介绍由集成运算放大器组成的方波-三角波-正弦波函数 发生器的设计方法，了解多功能集成电路函数信号发生器的功能及特点，进一 步掌握波形参数的测试方法。 制作这种低函数信号发生器成本较低，适合学生学 习
2、电子技术测量使用。制作时只需要个别的外部元件就能产生从110HZ ， 10100HZ的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲信号。输出波形的频率和占 空比还可以由电流或电阻控制。 其中比较器与积分电路和反馈网络（含有电容元 器件）组成振荡器， 其中比较器产生的方波通过积分电路变换成了三角波，电容 的充，放电时间决定了三角波的频率。 最后利用差分放大器传输特性曲线的非线 性特点将三角波转换成正弦波。 电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过三角波-正 弦波转换电路看到正弦波，得到想要的信号。 NI Multisim 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能过快速、轻松、 高效地对电路
3、进行设计和验证。本设计就是利用Multisim软件进行电路图的绘 制并进行仿真。 关键字：波形、比较器、积分器、Multisim 2 Abstract Waveform generator is widely used in universities and scientific research. With the progress of science and technology, the development of the society, a single waveform generator has cant satisfy peoples needs, and our desi
4、gn is a variety of waveform generator. This design introduces the integrated operational amplifier composed of square wave - - - - - the design method of the triangle wave, sine wave function generator, understand the multi-function integrated circuit functions and characteristics of function signal
5、 generator, further grasp the waveform parameter test methods. To make this kind of function signal generator with low cost, suitable for students learning electronic technology measure. Need only when making individual external components can produce from 1-10 hz, 10-100 hz low distortion of sine w
6、ave, triangular wave and square wave pulse signal. The output waveform frequency and duty ratio can also be controlled by current or resistance. The comparator and integral circuit and the feedback network (containing the capacitance component) oscillator, the comparator of square wave by integratin
7、g circuit transformation becomes a triangle wave, capacitance charging, discharge time determines the frequency of the triangular wave. Finally using the nonlinear characteristics of the differential amplifier transmission characteristic curve of converting triangular wave into sine wave. Voltage co
8、mparator for the square wave output, and connect the integrator by triangle wave, and see the sine wave by triangle wave, sine wave conversion circuit, achieve the desired signal. NI Multisim software combines intuitive capture and functional simulation, can quickly, easily and effectively carried o
9、ut on the circuit design and verification. This design is to use Multisim software to draw and carry on the simulation of circuit diagram. Key words: waveform, comparator, integrator, Multisim 3 目录 一、设计目的及要求. 4 1.1 设计目的 . 4 12 设计内容与要求 4 二 、函数发生器的组成. 4 2.1 原理框图 . 4 2.2 原理分析 . 5 三、系统中各模块设计. 5 3.1 方波-
10、三角波 . 5 3.2 三角波 - 正弦波转换电路 8 3.3 总电路图 10 四、 OPA2541 的功能介绍 10 五、结果分析 . 11 六、课程设计中的收获和体会. 11 参考文献 . 12 附录 13 4 方波产生和波形变换电路 一、设计目的及要求 1.1 设计目的 1. 了解集成运放电路的组成和使用； 2. 了解集成运放几种典型应用电路的工作原理； 3. 掌握利用运算放大器设计方波产生电路、波形变换电路和调试的方法。 12 设计内容与要求 1. 利用多个运算放大器设计一个方波产生和波形变换电路； 2. 对产生的方波信号的幅度和频率不做统一规定，请自行设计， 产生的方波信号经积分电路
11、 得到三角波，再对三角波进行有源低通滤波，最终得到正弦波； 3. 电路工作电源为12V； 4. 画出电路图，写出完整的报告； 5. 用面包板搭出电路，并调试之。 二 、函数发生器的组成 2.1 原理框图 方波 产生 电路 低通 滤波 电路 示波 器显 示 积分 电路 5 2.2 原理分析 函数发生器一般是指能自动产生方波、三角波、正弦波及锯齿波、 阶梯波等电压 波形的电路或仪器。产生方波、三角波、正弦波的方案有多种，本课题介绍先产 生方波 - 三角波，再将三角波变换成正弦波的电路设计方法。 由 R、C振荡电路、比较器产生方波，再通过方波转换为三角波，最后通过差分 放大器将三角波转换为正弦波。
12、三、系统中各模块设计 3.1 方波 -三角波 由模电知识我们知道， 将一组矩形波经积分电路会得到良好的三角波，所以本设 计采用前置矩形波发生电路， 然后对所得到的矩形波进行积分电路积分，最后输 出三角波。 方波发生电路实际是由一个滞回比较器和一个RC 充放电回路组成， 如图 1 所示。 图 1 方波发生电路 6 其中 R4、R5 与集成运放组成滞回比较器，稳压管D1、D2 和电阻 R2 的作用是 钳位，将滞回比较器输出电压稳定在正负Uz。在方波发生电路中，利用二极管 的单项导电性是电容正向和反向充电的通路不同，从而使它们时间常数不同， 即 可以改变输出电压的占空比， 再经过积分就可以得到占空比
13、可调的三角波，如图 所示，图中电位器和两个二极管的作用是将电容和放电的回路分开，调节充电和 放电两个时间常数的比例。 如果将电位器向下滑动， 则充电时间常数减小， 放电 时间常数增大，于是输出端为高电平的时间缩短，低电平的时间增长。 图 2 方波 积分电路的输出电压Uo 往正方向线性增长，此时 U+也随着增长，当增长 至 U+=U-=0 时，滞回比较器的输出电压UO1发生跳变，而发生跳变时的UO值 是使三角波的最大值Uom。将条件 UO1=-UZ,U+=0和 Uo=Uom代入下式可得： 0=R4/(R4+R5) (-Uz)+R5/(R4+R5) Uom （1） 可解的三角波的输出幅度为: Uo
14、m=(R4/R5)Uz （2） 将上述的矩形波发生电路的输出端与积分电路的输入端连接即可得到占空比可 7 调的的三角波发生电路，如图3。 图 3 三角波发生电路 图 4 三角波 8 3.2 三角波 -正弦波转换电路 低通滤波工作原理：低通滤波是容许低于截至频率的信号通过，但高于截止频 率的信号不能通过的电子滤波装置。 让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、 电感与电阻等器件的组合装置。 三角波 - 正弦波的转换电路主要由差分放大器来完成，差分放大器具有工作点稳 定，输入阻抗搞，抗干扰能力较强等优点。特别是直流放大器是，可以有效地抑 制零点漂移， 因此可将频率很低
15、的三角波变换成正弦波。波形变换的原理； 利用 差分放大器传输特性曲线的非线性。 图 5 正弦波发生电路 三角波 正弦波变换电路的参数选择原则是：隔直电容C要取得较大，因为输 9 出频率很低，取 C2为 2uF,C3 为 4uF。 图 6 正弦波 为使输出波形更接近于正弦波，可见 1. 传输特性曲线越对称，先行区越窄越好； 图 7 三角波、正弦波变换原理 10 3.3 总电路图 图 8 总电路图 四、 OPA2541 的功能介绍 大功率双运算放大器 OPA2541 是美国 BURR -BROWN公司生产的新一代高电压、 大电流输出型运算放大器, 用于驱动各种电阻性和电抗性负载(如电动机等 ),
16、并具有较大的安全裕量。利用OPA2541 制作的旋转变压器激磁电源, 其输出不用 升压变压器或谐振电容升压, 就能达到旋转变压器的额定激磁电压。 OPA2541 是具有高放大倍数和大功率输出级的双运算放大器, 因此, 被广泛应用 于电动机驱动器、跟踪系统放大器、可编程电源、音频放大器等。 图9 OPA2541引脚 11 单片OPA2541 功率放大器集成块中有两个单功率放大器, 且两个放大器的功 能不相等。OPA2541 的引脚图如图 9所示。 脚1 为B 端输出 ; 脚2 为十V正电源 ; 脚 3 为A端正输入 ; 脚4 为A 端负输入 ; 脚5 为A 端输出 ; 脚6 为一V;电源; 脚7
17、 为B 端正输入，脚 8为B端负输入。 五、结果分析 输出的各波形的参数范围有些许的偏差，是因为在各原件的参数选择上有些 偏差。 正弦波稍微有点失真是因为积分电路中充放电的时间不够。 六、课程设计中的收获和体会 该电路分为三部分， 第一部分是利用运算放大器产生方波，第二部分是利用 积分电路将方波变为三角波，第三部分则是通过有源低通将三角波变为正弦波。 在正弦波产生电路中, 改变 RC的值可以改变电路的信号频率， 在电压比较器中，改变参考电压的值可以改变方波的比例。 刚开始着手开始做的时候， 只知道设计要求， 没有一点头绪， 看着设计任务 似乎并不难， 但是当真正开始却不知道从何下手。后来经过反
18、复的看课本以及上 网查询资料才慢慢对本次的课程设计有个大致的体会，于是开始一步步的去做， 遇到不会的就看书， 书上看不懂就上网查找资料。 在复习以前学过的电路知识的 同时，我也加紧学习了Multisim这款电路设计软件，这是一款对于我来说异常 强大的软件， 所有以前做的电路实验都可以在这款软件上面完成。我学习了很长 时间也不过刚刚懂一些皮毛， 仍然不能完全弄懂软件中有些部件的功能。在确定 自己可以用这款软件来设计电路的是时候我就开始设计自己的电路图和确定元 12 件的参数了。 通过这次的课程设计， 我不但知道了以前不知道的理论知识，而且也巩固了 以前知道的知识。 最重要的是在实践中理解了书本上
19、的知识，明白了学以致用的 真谛。在设计过程中碰到许多不同的问题，与理论有所差距， 明白理论和实践还 是有差距的， 我们不能只学理论而不实践，要多结合理论进行实践， 这样才更加 理解掌握知识，把理论应用于实践，从实践中得出结论。 参考文献 1康华光 . 电子技术基础（数字部分）M . 第五版 . 北京：高等教育出版社， 2006.414-424 2 稻叶保 . 振荡电路的设计与应用 M . 北京：科学出版社， 2004.29-99 3 王立欣，杨春玲 . 电子技术实验与课程设计 M . 哈尔滨：哈尔滨工业大学出 版社， 2003.98-99 4 陶桓奇，张小华，彭其胜 . 模拟电子技术 M . 武汉：华中科技大学出版社， 2007.170-230 5 何宝祥，朱正伟，刘训飞，储开斌. 模拟电路及其应用 M . 北京：清华大学 出版社， 2008.104-195 6 David A .Johns Ken Martin. 模拟集成电路设计 M . 北京：机械工业出版社， 2005.213-495 13 附录 表一 仪器清单表 类型规格数量备注 电阻10 K1 15 K1 20 K1 2 K2 芯片OPA2541 芯片3 电容2 uF 1 1 uF 1 4 uF 1 稳压管2