模电课程设计三角波正弦波变换设计

目录1 •设计要求 (2)2 .总体方案 (2)3 •设计原理 (3)3.1总体电路图 (3)3.1.1硬件电路分析 (3)3.1.2差分式放大电路 (4)3.1.3镜像恒流源电路 (4)3.2设计所用软件简介 (5)4 •原理分析与计算 (5)5 •电路的仿真分析及结果 (6)6 •实物连接与调试结果 (8)7 •此次设计过程中所遇到的问题及解决措施 (11)8 •设计的心得体会 (12)9 .参考文献 (12)在研制、生产、使用、测试和维修各种电子元器件、部件以及整机设备时，都需要有信号源， 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、设备上，用其他测量仪器观察、 测量被测者的输出响应，以分析和确定它们的性能参数。

而波形发生器是它们中一种更为常用的信 号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。

本次课程设计应用所学电路设计 构成可由生三角波变换为正弦波。

可根据需要对该正弦波进行利用或者是进一步处理。

在本设计方案中，三角波一一正弦波的变换电路主要由差分式放大器来完成。

差分式放大电路的工作点稳定，输入阻抗高，抗干扰能力强，可以有效的抑制零点漂移。

禾U 用差分放大器可将低频 的三角波转换成正弦波。

波形变换是利用差分放大电路的非线性特性。

2.总体方案三角波一正弦波变换设计有以下两种种方案： 1）由三角波的傅里叶级数可知，它含有基波和3、5次等基次谐波，因此可以通过低通滤波器除去基波，滤出高次谐波，可将三角波转换为正弦波。

图2 — 12）三角波一一正弦波变换电路课采用非线性有源电路形成法即利用差分式放大电路来实现。

图2 — 2输入电压和输出电压波形如图 2—3所示：上述方案的优缺点：优点：对于方案一所需元器件少，节约了成本，更重要的是利于焊接和调试；对于方案二可适 用于不同频率条件，正好弥补了方案一的缺点。

缺点：方案一只适合固定频率或者频率变化很小的场合；方案二中所需元件较多，焊接与调试 有一定难度。

此次设计我采用方案二，利用BJT 射极耦合差分放大电路 ⑴的单端输入和单端输出和 BJT 镜像[2]电流源来实现。

三角波低通滤波电路正弦波三角波 ---------------- > 差分放大电路 ---------------- > 正弦波2kQ‘ 丫图3— 13.1.1硬件电路分析分析表明，传输特性曲线的表达式为：式中-=I C /I E : 1 ； I O 为差分放大器的恒定电流；U T 为温度的电压当量，当室温为25°C 时 U T=26mV 。

根据理论分析，如果差分式电路的差模输入信号 U id为三角波，则I C1与l C2的波形近似为正弦波。

因此，单端输出电压 U 。

也近似于正弦波，从而实现三角波一正弦波的变换。

且差分式放大电路 传输特性曲线的线性区越窄，其输出波形越接近于正弦波。

如图3— 1所示得电路中，R P 4用于调节电路的对称性，R E 1使得差分式放大电路的传输特性的线性区变窄。

电容C 5、C 6分别为隔直电容和滤波电容，以消除谐波分量，改善输出波形。

3.1.2差分式放大电路3.1总体电路图ycc.U ：o ：：：Rd 1 ' ■ b ' aBR E 1ifikQ 15KQ-C5~dl-i ・ ・「--CH .....................................d b■&_^2N2222 z 心劈・ P^lt*» Rd -*•■- ------ i i --------二；100；--・p ............ 二：贰暉：:~~nso% —HOOQKey^B:Io2N2522Key=C50.6%：VEEC iE i1 e 」id/U TC i E i1 e Uid/UT此次设计中，差分式放大电路采用单端输入一单端输出的电路形式，实际电路中四只晶体管选 用集成电路的差分对称管双三极管 S3DG （仿真电路中选用2N222替代）。

=== 60。

直流电源去V c ^ 12，-V EE =-12。

3.1.3镜像恒流源电路・.«・> « -" >・■ ■ 凶・... ・.i-• 1_- L7kQ nr ,-81 J・ --・Io・,,・-* -卜I p I »f 1-1 S l> 1« I- -1 I l> 1 « F1f 1»I1 H P •Q4 ...........I- I ■RlU iokPKey=C・ r,.-.2F42222 - ■k•J^1 - ■・:rQI ・'・ - ・ -.ri・;・・・・ ・ ..3° ' 宀-•- at:、 ・ -* - ■ --■ ■ ■--■ B "■ 1 ■*D.・・ i. i .2kQii i ・!■ ! -2ki 1b 1- ■ '■:1r'-T!■ • ■»!—J.・ m ・ ._12V・・“・图3—3由于差分式放大电路的静态工作点由恒流源 |。

决定，故镜像恒流源电路是为了获得 I 。

I 。

一般为一毫安或者几毫安，这里设定I o的值为1mA 。

Uf伽——::Blkn仙2222 ’需吋I ■ ■ ■ a■ Rtl ■!■ aiiinaiiiiiBBaI F MOQ-]I 。

Key*B12V1SkD 15kQUo3.2设计所用软件简介因为我比较熟悉和擅长使用 multisim 系列电力电子仿真软件，所以此次设计所用仿真软件为multisim12。

multisim12是美国国家仪器有限公司推出的以 Win dows 为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。

12.0是目前该软件的最高版本，现在已经成功破解，并且完全汉化，用户 可放心使用，下面附带详细安装图文教程。

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multisim12的专业特色：1、 模拟和数字应用的系统级闭环仿真配合Multisim 和LabVIEW 能在设计过程中有效节省时间。

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4. 原理分析与计算对于典型的差分式放大电路的传输特性：它的输出电压（电流）与输入电压之间的关系符合双 曲正切函数的变换规律。

在本次设计中，当输入信号三角波的正负峰峰值正好对应于差分式放大管 的截止电压时，晶体管集电极电流接近于正弦波。

如图3— 1,因为输入信号三角波的频率不太高， 所以隔直电容 C 5取得较大，这里取c 5 =470uF ; 电容C 6起着滤波的作用，其大小视输出波形而定，若含高次谐波成分较多，则课取得较小，一般为 几十皮法至几百皮法，本次设计中取C 6=100pF 。

R E1101与R p4=100「想并联，以减小差分式放大电路的线性区。

差分放大电路的静态工作点主要由恒流源 I 。

决定（如图3— 3）.因为I 。

越小， 恒流源越恒定，温漂越小，放大器的输入阻抗越大。

但是 I 。

也不能太小，这里取 I o1mA ，则 I C1= l C2= 0.5mA ，从而可求得晶体管的输入阻抗r be=300" 1「26mV=300" 1 60 空3.4K"I o/20.5为保证差分放大电路有足够大输入电阻R ,去^>20X 0 ,根据RhZW be + R Bi ）得 R B1 6.6K 1，故取R B^ R B 2=6.8K 」。

因为要求输出正弦波的峰峰值大于 1V ，所以应该使差分放大电路的电压放大倍数 代-40。

根据，可求得电阻R L -13K 1，进而选取 电=R.2 =15K 「。

对于恒流源电路，其静态工作点及元器件参数计算如下；R E3二R E ^2K 1，所以R 1 =9.3K"。

在原理图（图 4.7（」的电阻来替代。

I R 1=I o-V EE0.7 R 'R E=R1R E ---120.71K 】=11.3K "发射极电阻一般取几千欧，这里选择 中氏用一个10^1的电位器和一个3— 1)2（R B1 *rbe 」5. 电路的仿真分析及结果利用multisim12完成原理图的搭建并检查无任何错误后，开始进行仿真。

第一步，由信号发生 器(Function Generator )输出幅值为30mVpp ，频率为100Hz 的正弦波加到放大电路的输入端(其目 的是检查差分式放大电路的工作状态)，用示波器观察输出波形，如下图：图5—1表明目前差分放大电路的各个器件的参数选择合理且工作在线性区。

第二步，由信号发生器(Function Generator )输出幅值为30mVpp ，频率为100Hz 的三角波加到放大电路的输入端，用 示波器观察输出波形为三角波。

在频率不变，逐渐增大幅值的条件下，用示波器观察输出波形。

在U j =70mVpp 、40mVpp 和160mVpp 时的波形如图5—2、图5—3和图5— 4(注：标注有小三角形 的曲线为输出波形)；T2-T1 Tirre 612175 ms612175ms 0.000 ■Channel A Ctiannel^B6,713 V0,000 W ReverseSaveExt triggerTmebase Scale: 2 msjtiv Channel AChannel E\ ptE.piv): 0Sale: 1 帕汕巳 5 V/t)ivVpos,[Piv): h-2:Y pos.^piv): 0TriggerSingle Normal |AutB | HoneExt. triggerT1阳因Tme Q hannel A Channel B72. Q15 ms2,552V-U.S80 mV KcvciSc72BB TZOlSms2*52*-13.530 mVTbTl0,000 s0,000 V0,OM V SaveTimebase口ate：Zms/DivChannel AScale: 2匚hann&l 6Scale: h口Kpos.(Div): 0Ypos.<Div): 4,6Y/T Add B/A A阳ACfptM.fpiv): 0AciroHlDC|PSirai^ Nerrna Auto ManeTriggerEdge：上vd:EE|A a BetT2T2-T1Thn亡Channel A Charnel B504.159 ms 4.005 V90.57^ mV504,159 TO 4.005 V90.576 mVQ.QOQW OJQOV Q.QW VReverseExt. triggerScale：ZmsA^iv Scale:2伽Scale：1QQ初Q亦Ecige:Xpos.(Div): o Y pos,(Div):也__ 直T rpos-(pivj: o Level:SaveChermd日£E[A]E[EXt0 VFSingle Noimal Auto Nene由以上三张图可知，当 U 较小时，放大电路仍然工作在线性区；随着 U i 的增大其静态工作点 逐渐向非线性区移动；若 U i 太大则输出波形有明显失真现象。