最新7第七章波形发生器
电路实验七(波形发生器电路分析)
实验名称：实验七波形发生器电路分析班级：学号：姓名：指导教师：成绩：评阅时间：1. 实验目的及实验设备（1）掌握典型矩形波发生电路的工作原理，研究输出波形占空比与元件参数的关系。
（2）掌握典型三角波波发生电路的工作原理，研究输出波形与元件参数的关系。
（3）实验设备：PC及Multisim仿真软件。
2. 实验原理（1）矩形波产生电路设某一时刻输出电压uO=+UZ，则同相输入端电位uP=+UT。
uO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uN随时间t增长而逐渐升高，当t趋近于无穷时，uN趋于+UZ；一旦uN=+UT，再稍增大，uO就从+UZ跃变为-UZ，与此同时uP从+UT跃变为-UT。
随后，uO又通过R3对电容C放电，如图中箭头所示。
反相输入端电位uN随时间t增长而逐渐降低，当t趋近于无穷时，uN趋于-UZ；一旦uN=-UT，再稍减小，uO 就从-UZ跃变为+UZ，与此同时，uP从-UT跃变为+UT，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，其中矩形波的周期为T＝2RCln（1＋2R1/R2）。
（2）三角波发生电路下图将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算电路的输出就得到三角波电压。
在实用电路中，将方波发生电路中的RC充、放电回路用积分运算电路来取代，滞回比较器和积分电路的输出互为另一个电路的输入，如下图所示。
其虚线左边为同相输入滞回比较器，右边为积分运算电路。
滞回比较器输出为方波，经积分运算电路后变换为三角波，波形如下图所示。
振荡频率为，调节电路中R1、R2、R3的阻值和C的容量，可以改变振荡频率。
而调节R1和R2的阻值，可以改变三角波的幅值。
3、实验内容：（1）如矩形波产生电路原理描述中所示电路图，如果取C＝10uF，自行确定其他元件参数，设计周期为20ms 的矩形波电路，并用示波器观测验证。
（2）如三角波产生电路原理描述中所示电路图，取Uz＝7V，R1＝R2=20KΏ,C=0.1uF, R4=5 KΏ, 试计算输出三角波的频率，并用示波器观测验证。
简易波形发生器
摘要波形发生器又称为振荡器，它不需要输入信号的激励，电路通过正反馈，将直流电源的能量转换为各种稳定的、随时间周期性变化的交流信号的能量而输出。
即没有输入就有输出，根据输出信号波形的不同，分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器两大类。
波形发生器是一种广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域的信号源。
比如电参量的测量、雷达、通信、电子对抗与电子系统、宇航和遥控遥测技术等等。
RC 桥式正弦波振荡电路产生正弦波，正弦波频率可通过调节电阻R及电容C实现100HZ—20KHZ的变换，再通过电压跟随器输出正弦波。
正弦波通过过零比较器，整形为方波，同样经过电压跟随器输出方波。
方波通过积分运算电路，整形为三角波。
关键词正弦波发生器/过零比较器/电压跟随器/正弦波/方波/三角波目录1方案设计 (1)2 简易波形发生器原理级框图 (4)2.1 基本原理 (4)2.2 原理框图 (4)3 正弦波发生电路 (5)3.1 正弦波振荡器原理和结构 (5)3.2 产生振荡的条件 (5)3.2.1振荡平衡条件 (5)3.2.2 振荡起振条件 (6)3.3 RC选频网络 (7)3.3.1 RC桥式振荡器电路 (7)3.3.2 RC桥式振荡器的选频特性 (8)3.3.3 电压跟随器 (9)4 方波发生电路 (11)4.1 迟滞比较器 (11)4.2 方波产生原理 (12)5 三角波的产生电路 (13)5.1方波到三角波的转换原理 (13)6 简易波形发生器的设计 (15)6.1简易波形发生器的总原理 (15)6.1.1 输出波形 (15)6.1.2 频率范围 (16)6.1.3 输出电压 (16)6.1.4 显示输出波形的类型 (16)7 设计总结与心得体会 (17)致谢 (18)主要参考文献 (19)附录一：总原理电路图 (20)附录二：元件清单 (21)1方案设计方案一：利用多谐振荡器产生方波信号输出，用积分电路将方波变换成三角波输出，用折线近似法将三角波变换成正弦波输出（如图1.1.1所示）。
波形发生器《模拟电子技术幻灯片PPT
4R RC T 2
R 1
R
f
1
4R RC
2
电路三：是电路二的改型电路
+E
R01
uo1
C
RW -E
－
+
R
+ A1
－
+
uo
+ A2
R02
R2
R1
调整电位器 RW 可以使三角波上下移
动。即给纯交流的三角波叠加了一个 直流分量。
电路四：是电路二的改进电路
T1 时间段，电容 C 通过 R´ 放电 T2 时间段，电容 C 通过 R 充电
下行迟滞比较器：起开关作用，实现上下电平的 转换。
三、周期与频率的计算 uc
UH
UHULR1R 1R2UOM
0
UL
uc上升阶段表示式:
t
u c(t) U O M (U L U O)M eRC
t
T1
T2
T2
U HU O M (U LU O)M eRC
T1T2RlC n1 (2 R R 21)
uc下降阶段表示式: t
R02 +A2
R2
uo1
uo ＋UOm
0 －UOm
t
uo
U H
R 2
R 1
UU om L
R 2
R 1
U om
UH 0
t
UL
uo R1Cuo1d t
周期和频率的计算：
R01
uo1
－
+
R
+ A1
C
－
+
uo
+ A2
uo
UH UL
T1 T2
波形发生器
波形发生器1.课程设计的目的为了巩固《微型计算机技术》课程学到的相关知识，通过对本课程所学知识的综合运用，使学生融会贯通课程中所学的理论知识，加深对计算机系统各个部分的工作原理及相互联系的认识，加深对接口的理解，清晰地建立计算机系统的概念，培养学生进行微机应用系统硬件和软件开发的实践工作能力。
2.设计方案论证2.1 方案概述以8086CPU为核心，CPU中央处理器（英文Central Processing Unit，CPU）是一台计算机的运算核心和控制核心。
CPU、内部存储器和输入/输出设备是电子计算机三大核心部件。
其功能主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。
CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。
差不多所有的CPU 的运作原理可分为四个阶段：提取（Fetch）、解码（Decode）、执行（Execute）和写回（Writeback）。
CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。
所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程。
CPU包括运算逻辑部件、寄存器部件和控制部件等。
运算逻辑部件，可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。
寄存器部件，包括通用寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
控制部件，主要负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
将8255作为波形转换器接口，通过DAC0832芯片的数模转换，制作一个波形发生器，通过示波器观察所得到的信号波形，实现方波、梯形波、正弦波、三角波、锯齿波这5种波形的转换的功能，通过按键对输出波形进行切换。
要求设计制作出硬件电路。
2.2可编程并行接口芯片8255A2.2.1 8255的内部结构图如图1即所示，作为主机与外设的连接芯片， 8255必须提供与主机相连的3个总线接口，即数据总线接口、地址总线接口、控制总线接口。
波形发生器说明书
1 引言随着单片机功能不断完善，单片机在越来越多的领域得以应用。
按照传统的模式，在单片机应用系统整个项目开发过程中．先根据系统要求设计原理图，绘制PCB电路图，制作电路板，焊接元器件，然后进行软件编程，通过仿真器对系统硬件和软件调试，最后将调试成功的程序固化到单片机的程序存储器中。
无论是从硬件成本上。
还是从调试周期上，传统开发模式的效率都有待提高。
基于Proteus和Keil接口仿真平台是可以进行仿真、调试、制板并最大限度的软件模拟的单片机的开发平台，可极大地提高单片机应用系统的开发过程。
波形发生器是一种常用的信号源，广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领域。
本次课程设计对基于Proteus和Keil接口的虚拟波形发生器进行了仿真设计．利用AT89C51单片机产生方波、锯齿波、三角波，并可以在不同的波形之间任意切换。
1.1 题目的要求1、设计接口电路，将这些外设构成一个简单的单片机应用系统，画出接口的连接图。
2、编写下列控制程序（1）能输出三角波、锯齿波、方波。
（2）由K0-K2键分别控制以上所述波形的产生。
（3）根据开关对输出波形的频率、幅度进行控制调节。
3、用Protues进行仿真。
1.2 题目的意义（1）利用所学单片机的理论知识进行软硬件整体设计，锻炼学生理论联系实际、提高我们的综合应用能力。
（2）、我们这次的课程设计是以单片机为基础，设计并开发能输出多种波形（三角波、锯齿波、方波）且频率可调的波形发生器。
（3）掌握各个接口芯片(如DAC0832等)的功能特性及接口方法，并能运用其实现一个简单的微机应用系统功能器件。
（4）在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的实验大家也都是分散的对各个章节的内容进行练习。
因此，缺乏一种系统的设计锻炼。
在课程所学结束以后，这样的课程设计十分有助于我们将知识系统地总结到一起。
（5）通过将这几个波形的组合形成了一个函数发生器，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。
波形发生器
波形发生器摘要：使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片整理一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、一次和三次正弦波。
进行方案设计，整理出实际电路使其达到实验要求的各项指标。
一、设计任务与要求使用题目指定的综合测试板上的NE555芯片和一片四运放LM324芯片，设计整理一个频率可变的同时输出脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ的波形产生电路。
给出方案设计、详细电路图和现场自测数据及波形。
设计整理要求如下：1、同时四通道输出、每通道输出脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ中 的一种波形，每通道输出的负载电阻均为600欧姆。
2、四种波形的频率关系为1:1:1:3（3次谐波）；脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ输出频率范围为8KHz ～10KHz ，输出电压幅度峰峰值为1V ；正弦波Ⅱ输出频率范围为24KHz ～30KHz ，输出电压幅度峰峰值为9V 。
脉冲波、锯齿波和正弦波输出波形应无明显失真（使用示波器测量时）。
频率误差不大于10%；通带内输出电压幅度峰峰值误差不大于5%。
脉冲波占空比可调整。
3、电源只能选用+10V 单电源，由稳压电源供给，不得使用额外电源。
4、要求预留脉冲波、锯齿波、正弦波Ⅰ、正弦波Ⅱ和电源的测试端子。
5、每通道输出的负载电阻600欧姆应标清楚、至于明显位置，便于检查。
6、翻译：NE555和 LM324的数据手册（器件描述、特点、应用、绝对参数、电参数）。
二、方案论证与设计 1.原始方案：在使用Multisim 进行仿真设计的阶段，我想出了两种原始方案，两种方案的大体思路如下。
方案一：使用NE555芯片构成多谐振荡器，输出方波，通过锯齿波发生电路产生锯齿波，然后通过一个KHz f H 10 的低通滤波器，通过滤波产生一次，8KHz 到10KHz 的正弦波，然后再让锯齿波通过一个24KHz~30KHz 的带通滤波器，输出三次正弦波。
其中滤出三次谐波的理论依据是，由于锯齿波是一个关于t 的周期函数，并且满足狄里赫莱条件：在一个周期内具有有限个间断点，且在这些间断点上，函数是有限值；在一个周期内具有有限个极值点；绝对可积。
波形发生器文献综述
波形发生器1.波形发生器的背景波形发生器又称振荡器，是一种不需要输入信号而能产生各种周期性波形输出的电子装置。
按照产生的波形来分，有正弦波发生器和非正弦波发生器两大类。
非正弦波发生器又包括方波、三角波、锯齿波等。
波形发生器的应用范围很广，几乎覆盖了所有行业。
凡是需要使用其他标准信号源所不能提供的激励信号的应用，都可能是任意波形发生器的用武之地：在通信、测量和遥控等许多技术领域有着广泛的应用；在现代社会中，自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中；在超声波测量技术中，超声换能器（发射换能器和接受换能器）是超声波检测技术的核心部件；高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。
传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC等分离元件制成。
与此相比，基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。
其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。
因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。
设计师和测试工程师在设计验证中为了模拟最坏情况，会频繁地使用任意波形发生器。
在为了确定和验证性能极限时而降低额定或加重信号时，任意波形发生器是一款理想的工具。
它还被用来确定不可接受的噪声水平、定时问题、信号电平异常、带宽损耗、谐波失真，以及各种相关问题。
利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度、频率、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。
只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。
随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很方便的构成各种信号波形发生器，信号发生器可以提供理想的波形，同时满足模拟信号和数字信号要求。
采用采样技术，构建和改变几乎可以想到的任意形状的波形，数字信号发生器的功能是在满足计算机总线需要和类似应用而优化的。
项目7 波形发生器 单片机技术
2R
2
22
23
24
25
26
27
28
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Rfb
IO1
-
IO2
+
VO
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
VO
VREF 2n R
RfbNB
6
7
D/A转换基础
• 由于数字量的不连续性，同时D/A转换器进行转
换及单片机输出数据都需要一定的时间，因此输出
的模拟量随时间的变化曲线是呈阶梯状不连续的曲
线。
A
Δt越小输出越光滑，可 以近似认为是连续的。
0 t
Dt
8
D/A转换器的主要性能指标
• 分辨率是指输入数字量的最低有效位（LSB）发生
变化时，所对应的输出模拟量（常为电压）的变化 量。它反映了输出模拟量的最小变化值。
• 分辨率与输入数字量的位数有确定的关系，可以表 示成FS /2n 。FS表示满量程输入值，n为二进制 位数。 对于5V的满量程，采用８位的DAC时，分辨率为 5V/256＝19.5mV；当采用12位的DAC时，分辨率则 为5V/4096＝1.22mV。显然，位数越多分辨率就越高。
• 单缓冲器方式
将输入锁存器或DAC寄存器的任意一个置于直通方式而另一个受 CPU控制，当数字量送入时只经过一级缓冲就进入D/A转换器进行 转换，这种方式适用于只有一路模拟量输出或有几路模拟量输出但 不要求同步的系统。
• 双缓冲方式
是输入锁存器和DAC寄存器分别受CPU控制，数字量的输入锁存和 D/A转换分两步完成。当数字量被写入输入锁存器后并不马上进行 D/A转换，当CPU向DAC寄存器发出有效控制信号时，才将数据送 入DAC寄存器进行A/D转换，这种工作方式适用于多路模拟量同步 输出的场合。
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电路四：是电路二的改进电路
T1 时间段，电容 C 通过 R´ 放电
T2 时间段，电容 C 通过 R 充电
uo1被嵌位
于±Uz
－
+
+
R1
R2
uo
T1 T2 R + –C R´ -
+ + R2
充放电的 时间T1、T2可通过 R、R'调整。 当R'=0时，则为锯齿波发生器。
t
uo
(7-19)
X o
– X f
电路Ao
改成正反馈
反馈电路
F
X dX i X f
只有正反馈电路才能产生自激振荡。
(7-26)
X i +
X d
+ X f
基本放大
X o
电路Ao
反馈电路
F
如果：Xf Xi , 则去掉 X i , 仍有信号输出。
X d X f
基本放大
电路Ao
反馈电路
F
X o 反馈信号代替了放大 电路的输入信号。
(7-27)
自激振荡条件的推导
X i +
X d
– X f
基本放大
电路Ao
X o
反馈电路
F
X o Ao X d X f FX o
X d X i X f
AF
X Xoi
Ao 1AoF
(7-28)
X d 基本放大
X o
电路Ao
X f
反馈电路
F
X dX f , X f F X o
X oA oX dFoX A o
(7-13)
回顾:
上行的迟滞比较器
R
－
+
uo
+
ui
Uom uo
UL
0
UH ui
R1
R2 上下门限电压：
-Uom
UH
R1 R2
Uom
UL
R1 R2
Uom
(7-14)
回顾: 反相积分器
C
ui
R
-
+
uo
+
R2
uo
+Uபைடு நூலகம்m
0 -Uom
1 uoRCuidt
ui=-U t
ui=+U
(7-15)
R01
uo1
R1 R2
UZ
uo uc
(7-22)
工作原理：
－ A1
+
+
R1
R2
ui D1
R
uc C
uo1
D2 - uo
A2+
+
R3
uo uc
设ui 给uo电1=容+UCZ充，电则，D2u截o下止降，，D1当导u通o ，UH uc
t
下降到U+L时uo1翻转到-UZ ，这 时， D1截止，D2导通，电容C快 速放电，uo上升，当uo上升到 U+H时uo1翻转到+UZ 。如此周期
T 2R1RC R2
(7-21)
§7.4 压频转换
－ A1
+
+
R1
R2
ui D1 R
C
uo1
D2 - uo
A2+
+
R3
把锯齿波发生器积分电路的充电电压由uo1变为ui ， 则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出uo的 频率由输入电压ui的大小决定。
|ui | <UZ
UL
R1 R2
UZ
UH
C
C
－
+
uo1 R
- uo
+
+
R1
+ R2
R2
uo1 uo
Uom
1
t
uoRC uo1dt
0
-Uom
三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由 周期T和参数R、C决定。
(7-12)
电路二：电路一的改型
反向积分电路
上行迟滞 比较器
R01
uo1
－
+
+ A1
C
R
－
+
uo
+ A2
R02
R2
R1
特点：由上行的迟滞比较器和反相积分器级联构成， 迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反 相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。
－
+
R
+ A1
C
－
+
uo
+ A2
uo1 ＋UOM
0
t
R02
－UOM
R2
R1
uo
UH
R1 R2
Uom
UL
R1 R2
Uom
UH 0
UL
t
1 uoRCuo1dt
(7-16)
周期和频率的计算：
R01
uo1
－
+
R
+ A1
C
－
+
uo
+ A2
uo
UH UL
T1 T2
t
R02
T
R2
R1
R 1C 0 T 1U Od M tU HU L R 1C 0 T 2U Od M tU LU H
uc
D1 D2
a RW c b
-+
C
－
+
+
uo
R1
R2 (7-10)
§7.2 三角波发生器
uc + R
C
－
+
+
R1
R2 方波发生器
C
R - uo
+ + R2
反向积分电路
电路一：方波发生器 矩形波积分电路三角波 此电路要求前后电路的时间常数配合 好，不能让积分器饱和。
(7-11)
uc + R
7第七章波形发生器
第七章 波形发生电路
§7.1 方波发生器 §7.2 三角波发生器 §7.3 锯齿波发生器 §7.4 压频转换 §7.5 正弦波发生器
(7-2)
方波发生器电路的改进：
–uc + R
C
－
+
+
uo
R1
R2
– uc + R
C
－ +
+
uo
R1
UZ
R2
(7-9)
思考题：点 b 是电位器 RW 的中点，点 a 和点 c 是 b 的上方和下方的某点 。试定性画 出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三 点时的 uo - uc 相对应的波形图。
§7.3 锯齿波发生器
R3
－
+
+
R1
R2
R + –C
- +
+ R4
uo
uo uc
改变三角波发生器中 uc
积分电路的充放电时间常
t
数，使放电的时间常数为0， uo
即把三角波发生器转换成 了锯齿波发生器。
t
(7-20)
R3
－
+
+
R1
R2
R + –C
-
+
+ R4
uo
R 1C 0 T UZdt2R R 1 2UZ
D2 - uo
A2+
+
R3
由工作原理可知，uo在U+L 、 U+H之间变化：
R1 R2
U
Z
R1 R2
UZ
2R R1 2UZ R1C ui T
f 1 R2 ui 2RCR1 UZ
T2R1 RCUZ
R2
ui
(7-25)
§7.5 正弦波发生器
§7.5.1 产生自激振荡的原理
X i +
X d 基本放大
T1T20.5T
R 1C 0 0.5TU Od M t2R R 1 2U om
T 4R1RC
f R2
R2
4R1RC
(7-17)
电路三：是电路二的改型电路
+E
R01
uo1
C
RW -E
－
+
R
+ A1
－
+
uo
+ A2
R02
R2
R1
调整电位器 RW 可以使三角波上下移 动。即给纯交流的三角波叠加了一个 直流分量。
UL
uo
UH
t
变化。 uo为锯齿波。
UL
(7-23)
－ A1
+
+
R1
R2
ui D1 R
C
uo1
D2 - uo
A2+
+
R3
uc
UH
t
由电路的工作情况可知：
UL
改变电压ui
充电电压变化 充电时间变化
因此，称该电路为 压频转换电路。
uo的频率变化
(7-24)
－ A1
+
+
R1
R2
ui D1 R
C
uo1
FAo=1
自激振荡的条件
(7-29)
AF
Ao 1AoF
如果： 1 A o F 0则 :A F
(1) 正反馈足够强,输入信号为 0 时仍有信号输 出，这就是产生了自激振荡。
(2) 要获得非正弦自激振荡,反馈回路中必须有 RC积分电路。例如：前面介绍的方波发生 器、三角波发生器、锯齿波发生器等。