方波-三角波发生电路实验报告修订版

物理与机电工程学院（2015——2016 学年第二学期）

综合设计报告

方波-三角波产生电路

专业：电子信息科学与技术

学号： 2014216010

姓名：侯涛

指导教师：石玉军

方波-三角波产生电路

摘要

在人们认识自然、改造自然的过程中，经常需要对各种各样的电子信号进 行测量，因而如何根据被测量电子信号的不同特征和测量要求，灵活、快速的选用不同特征的信号源成了现代测量技术值得深入研究的课题。信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和实验测试处理中，它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。 软件结合了直观的捕捉和功能强大的仿真，能够快速、轻松、高效地对电路进行设计和验证。凭借，可以立即创建具有完整组件库的电路图。本设计就是利用软件进行电路图的绘制并进行仿真。

关键词折线法，比较器，积分器，转换电路，低通滤波， 1、 引言

波形发生器就是信号源的一种，能够给被测电路提供所需要的波形,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。本次设计用运放来组成积分电路，低通滤波电路来分别实现方波，三角波和正弦波的输出。它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源。

本文通过介绍一种电路的连接，实现函数发生器的基本功能。将其接入电源，具有实际的应用价值。并通过在示波器上观察波形及数据，得到结果。电压比较器实现方波的输出，又连接积分器得到三角波，并通过方波-三角波转换电路看到三角波，得到想要的信号。

2、设计内容和要求

设计要求：设计并制作用分立元件和集成运算放大器组成的能产生方波、三角波的波形发生器。

设计指标：输出频率分别为：2z 10H 、310Z H 和4

10Z H ；方波的输出电压峰

峰值20P P V v -≥ 。

3、方案的论证和选择

3.1方案的提出 3.1.1方案一：

0.12Multisim 0.12Multisim 0.12Multisim 0.12Multisim RC

1、由文氏桥振荡产生一个正弦波信号。

2、把文氏桥产生的正弦波通过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波。

3、把方波信号通过一个积分器。转换成三角波。 3.1.2方案二：

1、由滞回比较器和积分器构成方波三角波产生电路。

2、然后通过低通滤波把三角波转换成正弦波信号，再通过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波。 3.1.3方案三：

1、由比较器和积分器构成方波三角波产生电路。

2、用折线法把三角波转换成正弦波，再通过一个过零比较器从而把正弦波转换成方波。

3.2、方案的比较与确定 3.2.1 方案一：

文氏桥的振荡原理：正反馈RC 网络与反馈支路构成桥式反馈电路。当

12R R =、12C C =。即0f f =时，13F =、3u A =。然而，起振条件为u A >3。

实际操作时，如果要满足振荡条件432R R =时，起振很慢。如果43R R >2时，正弦波信号顶部失真。调试困难。RC 串、并联选频电路的幅频特性不对称，且选择性较差。因此放弃方案一。 3.2.2 方案二：

把滞回比较器和积分比较器首尾相接形成正反馈闭环系统，就构成三角波发生器和方波发生器。比较器输出的方波经积分可得到三角波、三角波又触发比较 器自动翻转形成方波，这样即可构成三角波和方波发生器。通过低通滤波把三角波转换成正弦波是在三角波电压为固定频率或频率变化范围很小的情况下使用。

然而，指标要求输出频率分别为2z 10H 、310Z H 和4

10Z H 。因此不满足使用低通

滤波的条件。放弃方案二。 3.2.3 方案三：

方波、三角波发生器原理如同方案二。比较三角波和正弦波的波形可以发现，在正弦波从零逐渐增大到峰值的过程 中，与三角波的差别越来越大即零附近的

差别最小,峰值附近差别最大。因此，根据正弦波与三角波的差别，将三角波分成若干段，按不同的比例衰减，就可以得到近似与正弦波的折线化波形。而且折线法不受频率范围的限制。

综合以上三种方案的优缺点，最终选择方案三来完成本次课程设计。

4、硬件系统的设计

4.1方波、三角波产生电路原理

该电路由滞回比较器和积分器组成。图中滞回比较器的输出电压1o z u U =±，它的输入电压就是积分电路的输出电压2o u 。则1U A 的同相输入端的电位：

11221212o o p R u R u u R R R R ??=

+++,令0p n u u ==，则阀值电压：1

22

t o z R u u U R ±==± ；积分电

路的输入电压是滞回比较器的输出电压1o u ，而且不是z U +，就是z U -，所以输出电压的表达式为：()()1122282

u u o o o o u t t t R C ?-=-

+?；设初态时01u 正好从z U -跃变到

z U +， 则：()10282

z o t U t t u U R C ?-=-

+?，积分电路反向积分，2o u 随时间的增长线性

下降，一旦2t u o U =-，在稍减小，01u 将从z U +跃变为z U -，使式变为：

，积分电路正向积分，2o u 随时间增长线性增大，一旦2t u o U =+，再稍微增大，01u 将从t U -跃变为z U +，回到初态。电路重复上述过程，因而产生自激振荡。由上分析，01u 是方波，且占空比为50%，幅值为z U

；

()t z o U C R t t U -?-?=

2

8212u

2o u 是三角波，幅值为t U 。取正向积分过程，正向积分的起始值t U -，终了值z U +，积分时间为2T ，代入 ()21282

z o t U t t u U R C ?-=

-?，得82

2z t t U T

U U R C ?+=

-??，式中

12t z R U U R =

，整理可得：2

812

4R f R R C =??? 4.2 正弦波发生电路原理

折线法是用多段直线逼近正弦波的一种方法。其基本思路是将三角波分成若干段，分别按不同比例衰减，所获得的波形就近似为正弦波。下图画出了波形的14周期，用四段折线逼近正弦波的情况。图中为输入三角波电压幅值。根据上述思路，可以采用增益自动调节的运算电路实现。

利用二极管开关和电阻构成反馈通路，随着输入电压的数值不同而改变电路的增益。在0~25wt =??段，输出的“正弦波”用此段三角波近似，因此此段放大电路的电压增益为1。由于25wt =?时，标准正弦波的值为sin 250.423o ≈，这里

，所以，在90wt =?时，输出的“正弦波”的值应为。在50wt =?时，输入三角波的值为

，要求输出电压： ，可得在25~50??段，电路的增益应为

。 在时，输入三角波的值为，要求输出电压： ，可得在段，电路的增益应为

ax U Im ax ax i o U U U U Im Im 278.090

25

≈=

=ax ax o U U U Im Im 657.0423.0278.0≈=ax ax i U U U Im Im 556.090

25

≈=

ax ax o U U U Im Im 503.050sin 657.0≈??=()()809.0278.0556.0278.0503.0=--=??i

o

u u ?=70wt ax ax i U U u Im Im 778.090

70

≈=

ax ax o U U u Im Im 617.070sin 657.0≈??=??70~50

。在时，输入三角波的值为，要求输出电压，可得在段，电路的增益应为。 4.3 实现上述思路的反相放大电路,如下图所示：

4.3.1 反相放大电路图的分析

图中二极管及相应的电阻用于调节输出电压时的增益，二极管及相应的电阻用于调节输出电压时的增益。电路的工作原理分

析如下。当输入电压时，增益为，要求图中所有二极管均不导通，所以反馈电阻。据此可以选定的阻值均为。当

时，电压增益为，要求导通，则应满 足:

，解出。由于在这一点，开始导通，所以，此时二极管正极电位应等于二极管的阈值电压。由图可得:是时输出电压的

值，即为。取，，则有。电阻取标准值，则，。其余分析如上。 需要说明，为使各二极管能够工作在开关状态，对输入三角波的幅度有一定的要求，如果输入三角波的

()()514.0556.0778.0503.0617.0=--=??i

o

u u ?=90wt ax i U u Im =ax o U u Im 657.0≈??90~70()()180.0778.01617.0657.0=--=??i

o

u u 53~D D 03>o u 86~D D 0u 3

13=R R R Ω=k R 236.413?=25wt 1D 1D th V 3o u ?=25wt ax U Im 278

.0V U ax 10Im =V U th 7.0=Ω=k R 97.3114Ω=k R 22.4Ω=k R 6.3114

幅度过小，输出电压的值不足以使各二极管依次导通，电路将无法正常工作，所以上述电路采用比列可调节的比例运算电路（模块）将输出的三角波的幅值调至。

4.3.2元件选择：

①选择集成运算放大器

由于方波前后沿与用作开关的器件的转换速率有关，因此当输出方波的 重复频率较高时，集成运算放大器 应选用高速运算放大器。集成运算放大器 的选择：积分运算电路的积分误差除了与积分电容的质量有关外，主要事集成放大器参数非理想所致。因此为了减小积分误差，应选用输入失调参数（、、、）小，开环增益高、输入电阻高，开环带较宽的运算放大器。反相比例运算放大器要求放大不失真。因此选择信噪比低，转换速率 高的运算放大器。经过芯片资料的查询， 双运算放大转换速率。符合各项指标要求。

②选择稳压二极管

稳压二极管 的作用是限制和确定方波的幅度，因此要根据设计所要求的方波幅度来选稳压管电压。为了得到对称的方波输出，通常应选用高精度的双向稳压管

③电阻为的金属薄膜电阻，电位器为精密电位器。 ④电容为普通瓷片电容与电解电容。

5、测试结果（实验仿真结果）

A U 3V 10A U 1SR 1A

B U 2Io V 0i I T V i ??0T I i ??0SR 082TL us V SR /14=Z D Z D W 4

1

6.结论

该设计完全满足指标要求。 第一：下限频率较高：。

原因分析：电位器最大阻值和相关电阻阻值的参数不精确。 改进：用阻值精密电位器和电阻。

第二：正弦波在时，波形已变坏。

原因分析：折线法中各电阻阻值不精准,不满足参数要求。 改进:采用精准电阻,用代替。 7.元件清单

元件类型 元件序号 元件型号 数量 集成运放 U1A,U2B ,U3A,U4B TL028CD 4 稳压管 D1,D2

1N4742A 2 二极管 D3,D4,D5,D6,D7,D8

1N4007 6 电解电容 C1 100uF 1 瓷介电容 C2 100nF 1 电位器 R8 500K 1 R12

100k 1

金属膜电阻

R1,R3,R4,R5,R9,R10

10K 6 R2 100K 1 R7 240 1 R6,R11 1K 2 R14,R19 31.6K 2 R13,R20 4.22K 2 R15,R21 5.11K 2 R16,R22 1.4K 2 R17,R23 649 2 R18,R24

226

2

8.参考文献

[1]童诗白、华成英.《模拟电子技术基础》. [2]吴慎山.《电子技术基础实验》.

[3]周誉昌、蒋力立.《电工电子技术实验》.

[4]广东工业大学实验教学部.《Multisim 电路与电子技术仿真实验》.

9.致谢

我在这里谨向所有关心、帮助、鼓励过我的老师、同学和朋友们表示感谢! 我感谢在这次设计中给与我帮助同学，如果没有同学的帮助、交流与协作，报告也不可能如此顺利的完成，再一次深表敬意及感谢。并且希望以后我们能一直互帮互助下去。

z 70H z 10000H CD TL 0825532NE CD TL 082