電子技術課程設計---直流穩(wěn)壓電源設計 方波、三角波和正弦信號發(fā)生器

1、<p><b>　　《電子技術》</b></p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程 </p><p>　　班 級： 0901班 </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2011年6月21日</p><p>　　電子技術程序課程設計任務書</p><p>　　一、設計題目：直流穩(wěn)壓電源設計 方波、三角波和正弦信號發(fā)生器</p><p>　　二 、設計任務與要求 <

3、/p><p>　　設計任務1：設計一個直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　要求：（1）輸出電壓5V、+12V、-12V三檔；</p><p>　?。?）輸出電流：最大電流>1A；</p><p>　　（3）紋波電壓峰值Vop-p≤5mv，穩(wěn)壓系數Sr≤5%，電網電壓波動正負10%。</p><p>　　設計任務2：設計

4、由集成運算放大器和晶體管放大器組成的方波——三角波——正弦波函數發(fā)生器。系統(tǒng)圖如下：</p><p>　　要求：(1)輸出波形 正弦波、方波、三角波。</p><p>　　(2)頻率范圍 頻率范圍1HZ~10HZ,10HZ~100HZ。</p><p>　　(3)輸出電壓 方波的輸出電壓峰峰值為10V, 三角波峰峰值、正弦波峰峰值>1v.</p

5、><p>　　(4)波形特性 表征正弦波特性的參數是非線性失真r1,一般要求r1<3%：表征三角波特性的參數是非線性系數是 r2,一般要求r2<2%；表征方波的參數是上升時間一般要求小于100ns（1KHZ,最大輸出時）。</p><p>　　四、可提供的主要電子元器件 </p><p>　　課題一 直流穩(wěn)壓電源</p><p>&

6、lt;b>　　課題二 信號發(fā)生器</b></p><p>　　目 錄</p><p>　　1設計題目…………………………………………………………… 4 </p><p>　　2設計任務和要求…………………………………………………… 4</p><p>　　3方案選擇、電路工作原理及電路圖………………………………

7、 4 3.1直流穩(wěn)壓電源工作原理……………………………………………… 4</p><p>　　3.2 方波--三角波產生電路的設計……………………………………… 5</p><p>　　3.3 三角波----正弦波變換電路的設計………………………………… 8</p><p>　　3.4 三角波---正弦波變換電路的調試………………………………… 10&l

8、t;/p><p>　　4安裝、調試中遇到的問題,解決的方法………………………… 10</p><p>　　5總結………………………………………………………………… 10</p><p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　一、設計題目：直流穩(wěn)壓電源設計 方波、三角波和正弦信號發(fā)生器</p

9、><p>　　二 、設計任務與要求 </p><p>　　設計任務1：設計一個直流穩(wěn)壓電源</p><p>　　要求：（1）輸出電壓5V、+12V、-12V三檔；</p><p>　?。?）輸出電流：最大電流>1A；</p><p>　　（3）紋波電壓峰值Vop-p≤5mv，穩(wěn)壓系數Sr≤5%，電網電壓波動正負10%

10、。</p><p>　　設計任務2：設計由集成運算放大器和晶體管放大器組成的方波——三角波——正弦波函數發(fā)生器。系統(tǒng)圖如下：</p><p>　　要求：(1)輸出波形 正弦波、方波、三角波。</p><p>　　(2)頻率范圍 頻率范圍1HZ~10HZ,10HZ~100HZ。</p><p>　　(3)輸出電壓 方波的輸出電壓峰峰值

11、為10V, 三角波峰峰值、正弦波峰峰值>1v.</p><p>　　(4)波形特性 表征正弦波特性的參數是非線性失真r1,一般要求r1<3%：表征三角波特性的參數是非線性系數是 r2,一般要求r2<2%；表征方波的參數是上升時間一般要求小于100ns（1KHZ,最大輸出時）。</p><p>　　三、方案選擇、電路工作原理及電路圖</p><p>

12、;　　3.1直流穩(wěn)壓電源工作原理</p><p>　　直流穩(wěn)壓電源由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成，其原理框圖如圖所示。電網供給的交流電壓T1(220V,50Hz) 經電源變壓器降壓后，得到符合電路需要的交流電壓,然后由整流電路變換成方向不變、大小隨時間變化的脈動電壓，再用濾波器濾去其交流分量，就可得到比較平直的直流電壓。但這樣的直流輸出電壓，還會隨交流電網電壓的波動或負載的變動而變化。在對直流供電要

13、求較高的場合，還需要使用穩(wěn)壓電路，以保證輸出直流電壓更加穩(wěn)定。</p><p>　　其整流部分為單相橋 實現頻率補償，防止穩(wěn)壓器產生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾，c2、c4、c6、c8、c10是電解電容，以減少穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。穩(wěn)壓器件由L7812、L7805、7912組成，分別輸出12v、5v、-12v的電壓。</p><p>　　3．2 方波--三角波產

14、生電路的設計</p><p>　　如圖2所示電路能自動產生方波---三角波信號。</p><p>　　圖2 方波—三角波產生電路</p><p>　　其中運算放大器IC1與R1，R2及R3,RP1組成一個遲滯比較器，C1為翻轉加速器。遲滯比較器的Ui（被比信號）取自積分器的輸出，通過R1接運放的同相輸入端，R1稱為平衡電組；遲滯比較器的UR（參考信號）接地，通過R2

15、運放的反相輸入端。遲滯比較器輸出U01的高電平等于正電源電壓+VCC，低電平等于負電源電壓-VEE(VEE=-VEE)當U+ ≤U-時，U01輸出從高電平+VCC翻轉到低電平-VEE；當U+ ≥U-時，輸出U01從低電平-VEE跳到高電平+VCC。</p><p>　　若U01=+VCC，根據電路疊加原理可得</p><p>　　將上式整理，因為UR=0，則比較器翻轉的下門限電位UTH2為

16、</p><p>　　若U01=-VEE，根據電路疊加原理可得</p><p>　　將上整理，得比較器翻轉的上門限電位UTH1為</p><p>　　比較器的門限寬度△UTH 為</p><p>　　由上式可得遲滯比較器的電壓傳輸特性如圖3所示</p><p>　　圖3 比較器傳輸特性</p><

17、p>　　運放IC2與R4，RP1和C2及R5組成的反相積分器。其輸入是前級輸出的方波信號U01，從而得積分器的輸出U01為</p><p>　　當U01=+VCC時，電容C2充電，電容的電壓U02上升</p><p>　　即U02下降。當U02（即Ui）下降到U02= UTH2時，比較器IC1的輸出U01狀態(tài)發(fā)生翻轉，即U01由高電平+VCC變?yōu)榈碗娖?VEE ，于是電容C2放電，電

18、容電壓Uc2下降，而</p><p>　　即U02線性上升。當U02（即Ui）上升到U02= UTH1時，比較器IC1輸出U01狀態(tài)又發(fā)生翻轉</p><p>　　即U01由低電平-VEE變?yōu)楦唠娖?VCC，電容C2又被充電，周而復始，振蕩不停。</p><p>　　U01輸出是方波，U02輸出是一個上升速度與降速率相等的三角波，其波形關系如圖4所示</p&g

19、t;<p>　　圖4 三角波與方波的關系</p><p>　　由上圖可知，三角波的幅值U02m為</p><p><b>　　U02的下降時間為</b></p><p><b>　　而</b></p><p><b>　　U02的上升時間為</b></p&g

20、t;<p><b>　　而</b></p><p>　　把UTH1和UTH2值代入，得三角波的周期（方波的周期和其相同）為</p><p>　　從而可知方波----三角波的頻率為</p><p>　　由f和U02m的表達式可以得出結論：</p><p>　　Ⅰ.使用電位器RP2調整方波----三角波的輸出頻

21、率時,不會影響輸出頻率和幅度.若要求輸出信號頻率范圍較寬,可用C2改變頻率范圍,用RP2實現頻率微調.</p><p>　?、?方波的輸出幅度應等于電源電壓VCC,三角波的輸出幅度不超過電源電壓VCC.電位器RP1可實現幅度微調,但會影響方波的頻率.</p><p>　　實現設計中, IC1和IC2可選擇雙運算器集成電路LM747(也可以選其他合適的運放),采用雙電源供電, +VCC=12

22、V,- VEE=-12V。</p><p>　　比較器與積分器的元器件參數計算如下:</p><p><b>　　由式</b></p><p><b>　　得</b></p><p>　　取R2=10K,則R3+ RRP1=30K,選擇R3=20K, RRP1為27K的電位器.</p>

23、<p>　　取平衡電阻RP1=R2∥（R3+ RP1）≈10K由式</p><p><b>　　得</b></p><p>　　當1HZ≤f≤10HZ時,取C2=10uF,則R4+ RP2=(75～7.5)K,選擇R4=4.7K, RP2為100K的電位器.當1HZ≤f≤10HZ時,取C2=10uF以實現頻率波的轉換(實現電路當中需用波段開關進行轉換),

24、R4和RP2的取值不變.平衡電阻R5. =10K</p><p>　　C1為加速電容,選擇電容值為100pF的瓷片電容.</p><p>　　3．3 三角波----正弦波變換電路的設計</p><p>　　工作原理在本設計方案中，三角波-正弦波的變換電路主要由差分放大器來完成。差分放大器工作點穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力強，可以有效地抑制零點漂移。利用差分放大器可

25、將低頻率的三角波變換成正弦波。波形變換利用的是差分放大器傳輸特性曲線的非線性。根據理論分析差分電路的差模輸入U為三角波，則I與的波形近似為正弦波。因此單端輸出電壓U也近似于正弦波，從而實現了三角波-正弦波的變換。.這里選擇的差分放大器電路形式如圖所示.波形變換利用的是差分放大器的傳輸特性曲線的非線性.分析表明,傳輸特性曲線表達式為</p><p>　　式中α=IC/IE≈1;為差分放大器的恒定電流;UT為溫度的電

26、壓當量,當室溫為25℃時UT≈26Mv。</p><p>　　根據理論分析,如果差分電路的差模輸入Uid為三角波,則IC1和IC2的波形近似為正弦波.因此,單端輸出電壓Uo3也近似于正弦波,從而實現三角波的變換.由圖可知,差動放大器電路的傳輸特性曲線的線性區(qū)域窄,其輸出波形近于正弦波.在圖5所示的電路中,電阻R*1與電位器RP3用于調節(jié)輸入三角波的幅度, RP4用于調節(jié)電路的對稱性, RE1可以減小差動放大器的傳

27、輸特性的線性區(qū).電容C3 ,C4 ，C5 ,為隔直電容, C6為濾波電容,以濾除諧波分量,改善輸出波形.</p><p>　　圖5 三角波—正弦波轉換電路</p><p>　　差分放大電路采用單端輸入---單端輸出的電路形式，4只晶體管選用9013。電源電壓同上，取+VCC=12V,- VEE=-12V。</p><p>　　三角波---正弦波變換電路的參數如下：

28、</p><p>　　三角波經電容C3和分壓電路R6、Rp2給差分電路輸入差模電壓Uid。因三角波頻率不太高，所以隔直電容C3 ,C4 ，C5要取得大一些，這里取C3 =C4 =C5=470Uf.濾波電容C6視輸出的波形而定，若含高次諧波成分較多，C6可取得較小，一般為幾十皮法至幾百皮法。RE1=100與RP4=100相并聯(lián)，以減小差分放大器的線性區(qū)。差分放大電路的靜態(tài)工作點主要由恒流電源I0決定，故一般先設定I

29、0。I0取值不能太大，I0越小，恒流源越恒定，溫漂越小，放大器的輸入阻抗越高。但I0也不能太小，一般為幾毫安左右。這里取差動放大的恒流源電流I0=1mA，則Ic1=Ic2=0.5Ma.</p><p>　　對于恒流源電路，其靜態(tài)工作點和元器件參數計算如下：</p><p>　　發(fā)射極電阻一般取幾千歐姆，這里選擇RE3=RE4=2K，所以=9.3K。在實際當中可用一個10K的電位器和一個4.

30、7K的電阻來代替。</p><p>　　3.4 三角波---正弦波變換電路的調試</p><p>　　A．移去信號源，再將C4左端接地，測量差分放大器的靜態(tài)工作點I0,UC1,UC2,UC3,UC4。調整RP4使UC1=UC2。</p><p>　　B．將RP3與C4連接，調節(jié)RP3，使 U03的輸出波形接近正弦波，調整C6大小可改善輸出波形。如果U03的波形出現較

31、嚴重的失真，剛應調整和修改電路參數，如果產生鐘形失真，是由于傳輸特性曲線的線性區(qū)太寬所致，應減小RE1。</p><p><b>　　總電路圖</b></p><p>　　四、安裝、調試中遇到的問題,解決的方法</p><p>　　1、輸出的電壓原則上應該是+12v和+5v，但我們調試出來結果是+12.11v和+4.99v，有一點偏差，主要是線

32、路及其電容的原因，導致結果有點誤差。</p><p>　　2、在焊接的時候容易把兩個菱腳之間焊在一起或者虛焊，導致有時候電路短路，因此，很容易燒壞電容和三極管等這些器件。</p><p>　　3、對于波形的輸出，我們的電路首先根本看不出是什么波形或者說，根本就看不出有波，詢問老師以后，是我們的電阻的大小選錯，沒有測量準確，導致靜態(tài)工作點有很大的偏移，改善電路以后就好了。</p>

33、<p>　　4、在調試時，發(fā)現輸出方波不對稱，通過改變RW3阻值來調節(jié)頻率與占空比，可獲得占空比為50%的方波，電位器RW3與外接電容C一起決定了輸出波形的頻率，調節(jié)RW3可使波形對稱。</p><p><b>　　五、總結</b></p><p>　　這次課程設計真的讓我學到了很多，增加了我們對電子技術的認識，增深了我們對電子技術的理解深度和運用的能力

34、，更重要的是深深的感受到“團隊精神”的重要性，學在其中，樂在其中。</p><p>　　首先，我覺得我們在做設計之前，必須把電路的實驗原理弄清楚，在紙上畫出來，同時也要想好早電路板的布局。一個精美的布局，不僅可以體現作品的美觀，更容易讓我們發(fā)現連線上錯誤。</p><p>　　其次，在焊接的時候我們應該十分小心。第一，要注意安全，不小心好、就回燙傷別人或者自己；第二，電路不能虛或者焊接不穩(wěn)

35、</p><p>　　最后，在調試時，大家必須要有耐心和毅力，仔細檢查電路，看沒有連線錯誤，或者虛焊、短路等問題。</p><p>　　“三個臭皮匠，頂個諸葛亮”。團隊的力量在這次課程設計中，體現的非常重要。在電路的設計和布局上，就是團隊一起想出來的結果，很完美，電路很緊湊，電路沒有相互交錯。還有就是在檢查電路和調試時，也能充分得到驗證。大家一起動手、動腦，發(fā)現問題，改正問題，最終完成作品

36、。</p><p>　　有一個地方我們需要建議的是，實驗室提供我們的元件太有限，這也是大家共同的心聲，有時候不小心把哪個元件燒掉就不能進行第二次焊接，最后還是我們的老師想辦法從以前的模版上拆一部分讓我們焊接，真的很謝謝老師一直對我的細心指導。</p><p>　　通過這次課程設計，我們由原理上升到實踐，每個人親自動手，在實踐中，焊接上的每一個元件都讓我們成就感，特別是在調試成功之后，那種感

37、覺真的很好。同時，還要感謝我們的每一個成員，沒有他們，我們的程序設計也不可能這么快完成，還有我身邊的朋友和老師，謝謝你們。</p><p><b>　　參考書目：</b></p><p>　　[1] 《電子技術基礎模擬部分》 康光華著 高等教育出版社</p><p>　　[2] 《電子技術基礎數字部分》 康光華著