占空比可调矩形波-三角波发生器

郑州科技学院

《模拟电子技术》课程设计

题目占空比可调矩形波-三角波发生器学生姓名

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完成时间年月日

目录

1 课程设计的目的 (1)

2 课程设计的任务与要求 (1)

3 设计方案与论证 (1)

4 设计原理及功能说明 (8)

5 单元电路的设计（计算与说明） (11)

5.1 参数计算 (11)

5.2 元件计算 (12)

6 硬件的制作与调试 (16)

7 总结 (17)

参考文献 (18)

附录1：总体电路原理图 (19)

附录2:元器件清单 (19)

1 课程设计的目的

利用模电知识设计一个占空比可调的矩形波-三角波发生器。

进一步巩固简熟悉易信号发生器的电路结构及电路原理并了解波形的转变方法。

学会用简单的元器件及芯片制作简单的函数信号发生器，锻炼动手能力，以及调试电路并根据测试结果分析影响实验结果的可能因素，适当的对电路进行改进。

2 课程设计的任务与要求

掌握波形发生电路设计和调试的方法。

掌握波形发生电路参数的计算方法。

振荡频率范围：500~1000赫兹；三角波幅值调节范围：1~2伏。

根据题目要求，选定电路结构。

计算和确定电路中的元件参数。

调试电路，以满足设计要求。

写出设计总结报告。

3 设计方案与论证

函数发生器一般是指能自动产生正弦波、方波、三角波的电压波形的电路或者仪器。电路形式可以采用由运放及分离元件构

成；也可以采用单片集成函数发生器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的函数发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。现在我们通过对函数信号发生器的原理以及构成设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的简易发生器。

通过对电路的分析，参数的确定选择出一种最适合本课题的方案。在达到课题要求的前提下保证经济、方便、优化的设计策略。按照设计的方案选择具体的原件，焊接出具体的实物图，并在实验室对焊接好的实物图进行调试，观察效果并与最初的设计要求的性能指标作对比。最后分析出现误差的原因以及影响因素。

在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察，测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、运用最广泛的一类电子仪器。

本次设计的是较为简单的占空比可调的矩形波-三角波发生器。其中的整体设计方案如下。

图3-1 设计总原理框图

产生正弦波、方波、三角波的方案有多种，如首先产生正弦波，然后通过整形电路将正弦波变换成方波，再由积分电路将方波变成三角波；也可以首先产生三角波—方波，再将三角波变成正弦波或将方波变成正弦波等等。

函数发生器电路组成为由比较器和积分器组成方波—三角波产生电路，比较器输出的方波经积分器得到三角波，三角波到正弦波的变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，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作为直流放大器时，可以有效地抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器传输特性曲线的非线性。

矩形波产生原理

因为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，就是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。电路组成：如图所示为矩形波发生电路，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。电压传输特性如图所示。

图3-2 矩形波原理图

设某一时刻输出电压u=+U Z，则同相输入端电位u=+U T。u通过R3对电容C正向充电，如图中箭头所示。反相输入端电位u随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，u趋于+U Z；一旦u=+U T，再稍增大，u就从+U Z跃变为-U Z，与此同时u从+U T 跃变为-U T。随后，u又通过R3对电容C放电，如图中箭头所示。反相输入端电位u随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，

u趋于-U Z；一旦u=-U T，再稍减小，u就从-U Z跃变为+U Z，与此同时，u从-U T跃变为+U T，电容又开始正向充电。上述过程周而复始，电路产生了自激振荡。

波形分析及主要参数

由于矩形波发生电路中电容正向充电与反向充电的时间常数均为R3C，而且充电的总幅值也相等，因而在一个周期内u=+U Z 的时间与u=-U Z的时间相等，u为对称的方波，所以也称该电路为方波发生电路。电容上电压u和电路输出电压u波形如图所示。矩形波的宽度T与周期T之比称为占空比，因此u是占空比为1/2的矩形波。

利用一阶RC电路三要素法可列出方程，求出振荡周期振荡频率f=1/T。调整电压比较器的电路参数R1、R2和U Z可以改变方波发生电路的振荡幅值，调整电阻R1、R2、R3和电容C的数值可以改变电路的振荡频率。

三角波产生原理

图3-3 三角波产生原理图

如图所示为具有三角波和矩形波输出的振荡电路。该电路由密勒积分器A2和施密特触发器A1构成，可以产生三角波和矩形波输出。振荡频率由密勒积分器的时间常数(R3+R4)C1和触发器的滞后电压Vcc(R1+R2)/(R1+R2+R3)确定，其中Vcc为电源电压。调节电阻R3可以改变振荡频率，而调节电阻R2既可以改变三角波的输出幅度，也可以改变振荡频率。A2输出三角波，A1输出矩形波，它们之间相位差为90度。

正弦波产生原理

将三角波通过一个差分放大电路产生正弦波。差分放大器具有工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力较强等优点。特别是作

为直流放大器，可以有效的抑制零点漂移，因此可将频率很低的三角波变换成正弦波。波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性，波形变换过程中，传输特性曲线越对称，线性区域越窄越好;三角波的幅度U im应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。用差分放大电路实现三角波到正弦波。

另外也可以利用RC桥式正弦波振荡电路产生正弦波。

图3-4 RC桥式正弦波振荡电路原理图如图，其中R1、C1、R2、C2为串并联选频网络，接于运放的输出与同相输入端之间，构成正反馈，以产生正弦自激振荡。R3、R4 、Rp组成负反馈网络，调节Rp即可改变负反馈的反馈系数，从而调节放大电路的电压放大倍数，使之满足自激振荡的幅度条件。二极管的作用是输出限幅，改善输出波形。

这里只简单介绍稳幅措施。为了稳定振荡幅度，通常是在放大电路的负反馈回路里加入非线性元件来自动调整负反馈放大

电路的电压放大倍数，从而维持输出电压幅度的基本稳定。两个二极管为稳压元件。当输出电压的幅度较小的时，电阻R4两端的电压较小，二极管VD1、VD2截止。负反馈系数由R3、Rp、R4决定。当输出电压的幅度增加到一定程度时，二极管导通，其动态电阻与R4并联，是反馈系数加大，电压放大倍数下降。输出电压的幅度越大，二极管的动态电阻越小，电压放大倍数越小，从而维持输出电压的幅度基本稳定。

4 设计原理及功能说明

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。

矩形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4-1，其中R1、R2与集成运放组成滞回比较器，电阻R4和电容C组成充放电回路，稳压管D3、D4和电阻R3的作用是钳位，将滞回比较器输出电压稳定在正负Uz。

要得到占空比可调的三角波则必须要使矩形波的占空比可调。要得到占空比可调的矩形波，可通过改变电路中充放电时间常数来实现。如图4-2

图4-2

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4-3 总原理图

前置的为矩形波产生电路，通过R6经过微分电路微分后得到三角波。使用电路仿真软件multisim仿真可以直观的检查电路的运行情况。

图为测试结果：

图4-4 矩形波

图4-5 矩形波-三角波

根据总原理电路图可以看出由于矩形波的占空比可以调节，故三角波的占空比也可以适当调节，并且R6电位器可以改变电阻的大小来改变三角波幅度。

5 单元电路的设计（计算与说明）

5.1 参数计算

占空比

由图可知，在U o=‐U z期间，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U O1发生跳变，而发生跳变时的U O值是使三角波的最大值U om。将条件U O1=-U Z,U+=0和U o=U om代入

下式可得：

0=R1R1+R2 (-U z )+R2R1+R2 U om

可解的三角波的输出幅度为:

U om =R1R2 U z 占空比

当忽略二极管的导通电阻时经分析可知：

T 1=(R 6+R 10)C ㏑(1+2R1R2 )

T 2=(R 6+R 9)C ㏑(1+2R1R2 )

输出波形的震荡周期为：

T=T 1+T 2=(2R 6+R 8)C ㏑(1+2R1R2 )

占空比为：

D=T1T =R6+R102R6+R8

带入数值可计算得三家漂泊占空比可调范围为33.3%-66.6%

5.2 元件计算

设计所选的元件应遵循经济、实用、效果好的原则。在购买元件前应当先做了解，考虑好一些难买元件的替代品，以防意外。 电容：

本设计需要的电容为100ｎＦ、1uF 各一个。电容在电路中实际要承受的电压不能超过它的耐压值。在滤波电路中，电容的耐压值不要小于交流有效值的1.42倍。使用电解电容的时候，还要注意正负极不要接反。

不同电路应该选用不同种类的电容。揩振回路可以选用云母、高频陶瓷电容，隔直流可以选用纸介、涤纶、云母、电解、陶瓷等电容，滤波可以选用电解电容，旁路可以选用涤纶、纸介、陶瓷、电解等电容。

电容在装入电路前要检查它有没有短路、断路和漏电等现象，并且核对它的电容值。安装的时候，要使电容的类别、容量、耐压等符号容易看到，以便核实。

在电路中100nf的电容主要作用为储能进行充放电，1uf电容主要作用为滤波。在选取电容时应优先考虑以上特点。

1uf电容可选择铝电解电容器。它在电子线路中的基本作用一般概括为：通交流、阻直流，具有滤波、旁路、耦合和快速充放电的功能，并具有体积小、储存电量大、性价比高，它的特点是容量大，但是漏电大，误差大，稳定性差，常用作交流旁路和滤波，在要求不高时也用于信号耦合。电解电容有正、负极之分，使用时不能接反。

100nf电容可选择铝电解电容器或者瓷介电容，用高介电常数的电容器陶瓷〈钛酸钡一氧化钛〉挤压成圆管、圆片或圆盘作为介质，并用烧渗法将银镀在陶瓷上作为电极制成。它又分高频瓷介和低频瓷介两种。

瓷介电容具有小的正电容温度系数的电容器，用于高稳定振荡回路中，作为回路电容器及垫整电容器。低频瓷介电容器限于在工作频率较低的回路中作旁路或隔直流用，或对稳定性和损耗要求不高的场合，这种电容器不宜使用在脉冲电路中，因为它们易于被脉冲电压击穿。

瓷片电容主要针对于高频，高压瓷片电容取决于你使用在什么场合，典型作用可以消除高频干扰。

优点：容量损耗随温度频率具高稳定性，特殊的串联结构适合于高电压极长期工作可靠性，高电流爬升速率并适用于大电流回路无感型结构。

电阻：

电阻的分类很多，按照材料分类可分为线绕电阻器、碳膜电阻器、金属氧化膜电阻器等。选择哪一种材料和结构的电阻器，应根据应用电路的具体要求而定。

高频电路应选用分布电感和分布电容小的非线绕电阻器，例如碳膜电阻器、金属电阻器和金属氧化膜电阻器，薄膜电阻器，厚膜电阻器，合金电阻器，防腐蚀镀膜电阻器等。

高增益小信号放大电路应选用低噪声电阻器，例如金属膜电阻器、碳膜电阻器和线绕电阻器，而不能使用噪声较大的合成碳

膜电阻器和有机实心电阻器。

所选电阻器的电阻值应接近应用电路中计算值的一个标称值，应优先选用标准系列的电阻器。一般电路使用的电阻器允许误差为±5%~±10%。精密仪器及特殊电路中使用的电阻器，应选用精密电阻器，对精密度为1%以内的电阻，如0.01%，0.1%，0.5%这些量级的电阻应采用捷比信电阻。所选电阻器的额定功率，要符合应用电路中对电阻器功率容量的要求，一般不应随意加大或减小电阻器的功率。

本设计碳膜电阻器或金属氧化膜电阻器等性价比高，耐用的电阻。

二极管：

二极管种类有很多，按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管、隔离二极管、肖特基二极管、发光二极管、硅功率开关二极管、旋转二极管等。按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体

晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，多用于开关、脉冲及高频电路中。

本设计中需要用到整流二极管和稳压二极管，其中稳压二极管为双向稳压二极管，双向稳压二极管可以稳定输出信号。在实际操作中可选用两个稳压二极管负极对接代替。

6 硬件的制作与调试

在进行制作前首先应该检测元件，以防将损坏的元件焊入电路中影响测试。

检测电阻器：

使用万用表欧姆档，将黑红表笔同时接入电阻器的两个引脚，观察电阻值是否正常。

检测电容：

可以使用数字万用电表检测或者直接用数字电桥进行精确检测。

另外二极管和稳压二极管都可以用数字万用表来检测，运放741集成块一般情况下只需观察其外观是否有破损引脚是否断裂缺失即可。

检测完成后，即可按照电路图对元件进行焊接了，在焊接过程中要注意不能长时间将电烙铁接触元件的焊接引脚上，以免高温烧坏元件。

焊接结束后需要对产品进行调试，将其接通电源，输出端接入示波器，观察是否有理想波形，如果波形不存在或者严重失真，则应该按照电路检测的方法，检查元器件和电路焊接的情况。

在得到较为理想的波形后，调节电位器R4，观察波形的变化情况，可以直观的看到占空比发生明显变化，调节电位器R6观察三角波幅度的变化。在调节时应注意波形是否失真。

7 总结

为期一个星期的课程设计已经结束，在这一星期的学习、设计、焊接过程中我感触颇深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了常用元件的识别和测试；熟悉了常

用的仪器仪表；了解了电路的连接、焊接方法；以及如何提高电路的性能等等。

其次，这次课程设计提高了我的团队合作水平，使我们配合更加默契，体会了在接好电路后测试出波形的那种喜悦。

在实验过程中，我们遇到了不少的问题。比如：波形失真，甚至不出波形这样的问题。在老师和同学的帮助下，把问题一一解决，那种心情别提有多高兴啊。实验中暴露出我们在理论学习中所存在的问题，有些理论知识还处于懵懂状态，老师们不厌其烦地为我们调整波形，讲解知识点，实在令我感动。

另外通过一个星期的学习，对仿真软件multisim也基本会用，通过仿真软件可以对模电中学习中的大部分电路进行模拟，这对加深模电基础知识有很重要的作用。

参考文献

[1] 赵家贵. 电子电路设计[M]. 北京:中国计量出版社2007.239~251

[2] 廉玉欣. 电子技术基础实验教程[M]. 北京:机械工业出版社2010.26~36

[3]蒋黎红,黄培根. Multisim10仿真[M]. 北京:电子工业出版社2010.84~100

[4]张永瑞. 电子测量技术基础（第二版）[M]. 西安:西安电子科技大学出版社2009.61~122