电路与电子技术课程设计报告(正弦、方波-三角波、可调矩形波、可调锯齿波发生器)
目录
目录 1
1 实验任务及目的 2
1.1 实验目的 2
1.2 实验任务 2
2 直流稳压电源的设计 2
2.1 电源变压器 3
2.2 整流电路 4
2.3 滤波电路 6
2.4 稳压电路 7
2.5 对称+12V直流稳压电路 8
3 正弦信号发生器的设计 8
3.1.1 原理说明 9
3.1.2 实验电路 10
4信号发生器的设计 12
4.1 方波-三角波信号发生器 12
4.1.1 原理说明 12
4.1.2 实验电路 14
4.2 可调矩形波发生器 16
4.2.1 原理说明 16
4.2.2 实验电路 19
4.3 可调锯齿波发生器 21
4.3.1 原理说明 21
4.3.2 实验电路 22
课设总结----------------------------------------------26
1 实验任务及目的
1.1 实验目的
- 掌握三端集成稳压器组成的直流稳压电源的设计和调测。
- 掌握由运算放大器组成的信号发生器的设计方法。
- 熟悉信号发生器的一些主要性能指标
1.2 实验任务
需要完成的实验任务有：
任务 1：设计由三端集成稳压器7812和7912组成的能输出+12V和-12V的直流稳压电源电路，并完成该电路的仿真调测。
任务 2：完成由集成运放组成的信号发生器的仿真设计。所需的直流电源由任务 1 完成的电路提供。
2 直流稳压电源的设计
（实验总实验图）
总思路：一个大的电压，先经过变压器，将电压降低，再进行全波整流，使其相位都为正，再对整流后的电压进行滤波，，使负载电压趋于平衡，最后在进行稳压，得到一个直流电压。
主要过程如下：
2.1 电源变压器
（这里的220V指的是幅值为220V）
这里选用的变压器型号为TS_PQ4_10，降压的倍数大概为8，将220V/50HZ的交流电降到20~26V，这里不细说这个了。
2.2 整流电路
这里采用的是单相桥式整流电路
工作原理解释：
当变压器得到的电压值为正值时，电路图中2-1脚、4-3脚的二极管导通，另外两个二极管截止，对负载上的电压进行积分运算，可以得到电压的有效值，负载上的电压为变压器输出的电压的0.9倍。
当变压器得到的电压值为负值时，电路图中3-1脚、4-2脚的二极管导通，另外两个二极管截止对负载上的电压进行积分运算，可以得到电压的有效值，负载上的电压为变压器输出的电压的0.9倍。
所以，虽然输入的电压相位有正有负，但是经过整流之后，得到的电压相位一直为正。
将示波器接到2脚与四脚时，观察到如下的波形。
实际上的效果如下图所示，没有理论曲线那么平滑，但总的来说，还是比较重合的。
得到这个波形结果之后，我们再看看 Ul=0.9U2 是否成立
2.3 滤波电路
下图为本电路中的整流滤波电路
滤波原理：
本电路采用的是电容滤波，电容滤波就是在整流电路的输出端并联一个比较大的电容，利用电容的充放电作用，是负载趋于平滑。（1）当变压器输出的电压处于正周期时，通过整流电路输出的电压流过负载，同时对电容进行充电。（2）当U2在波峰往下掉之后，因为电容两端的电压不会突变，它又一个放电的过程，因此电容会对RL进行放电，不会使RL两端的电压掉的太多，即电压值趋于平滑。（3）又因为电容是按指数规律放电的（衰减指数为RC，R为电容两端的等效电阻）所以，当U2降到一定幅度时，UC的下降速度低于U2的下降速度，使得UC>U2，从而导致二极管反向偏置变为截止，UC就会按指数衰减的速度下降。（4）当U2在负向时，整流电路输出的依然是相位为正的电压，则电路又会重复上述的过程。
本电路选用了2.5mF的大电容，所以这个滤波效果还是比较好的。
下面两幅图都是该电路负载两端的电压波形图，刚开始时，电路还有些不太稳（左图），电路主要呈现的是锯齿样的波形，后面电路稳定下来，电压趋于平衡（右图）。
同时我们也对这两端的电压进行验证。
2.4 稳压电路
本实验产生的是12V的电压，用的稳压器是7812，可以将电压稳定在12V。
实验原理：可以等效为下面这个电路
当稳压器两端的电压升高时，根据稳压管的伏安特性可知，流过稳压管的电流Iz会急剧增加，所以流过R的电流也会增大，那R得到的分压也会增大，则RL两端的电压就会相应地减少，因此，只要取参数合适的原件，R上的电压增量就可以与输入电压的增量近似相等，从而使RL两端的电压保持不变。
当稳压器两端的电压降低时，与上面正好相反，R上的电压减少量与输入电压的减少量近似相等，从而使RL两端的电压保持不变。
同时，电路中还加了整流二极管（稳压器两端），整流二极管主要应用在需要达到全波整流的低频整流电路中，连成能整流桥使用。
下图是RL两端的电压波形图，可以明显看出，近似一条笔直的长线（即稳压效果很好）
UL=12.013V≈12V
2.5 对称+-12V直流稳压电路
本实验是设计输出两个稳压电源的电路。需要产生12V的电压，我们采用7812的稳压管，需要产生-12V的电压，我们采用7912的稳压管。稳压原理与上文叙述的相同，只不过一个输出正电压，一个输出负电压（整流二极管相反连）。两个整流电路连同一个地，所有的元件参数都相同，电路完全对称设计。
本实验的电路图如下。
3 正弦波信号发生器的设计
实验思路：采用RC桥式正弦波发生器
电路结构的分析与设计:
电源供电方式:双电源供电、12V
电路结构:选频网络为RC选频网络，放大电路为正相比例放大电路
中心频率:文氏电桥式RC振荡器适用于低频振荡信号，一般用于产生频率为l Hz-1MHz的正弦波信号，在本实验中，中心频率选为1000Hz。
1.正弦信号发生器的震荡频率
负反馈放大器可以自激的原因是电路的相移使负反馈变成正反馈。随意这里我们将反馈直接连成正反馈电路
2.RC桥式正弦波信号发生器
3.1.1电路图
元件参数的计算:
（1）确定R、C值
由于fo=1/2T RC=1000Hz，得到RC-1/2TT fo=1.59*101
为了使选频网络的选频特性尽量不受集成运算放大器的输入电阻Ri和输出电阻Ro的影响，应使R满足下列关系式:Ri>>R>>Ro，一般 Ri约为几百千欧以上，Ro仅为几百欧以上。故确定R=16KQ，则C=0.01uF。
(2）确定R1、Rf
RC选频网络对于中心频率f的放大倍数为F=1/3,而回路起振条件为AF>=1。故放大电路的电压放大倍数A=(R1+Rf)/R1>=3，即 Rf/R1>=2，取 RfR1=2。而Rf-Rp+R//r d其中，rd为二极管的正向动态电阻。
为了减小输入失调电流和漂移的影响，电路应该满足直流平衡条件，即:
R=R1//Rf=16KΩ
(3）确定稳幅电路
实验证明，取R2～r 时，既能够减少二极管特性的非线性而引起的波形失真,又能起一定的稳幅作用，取R2=5.1KΩ
综上分析可得
实际电路
波形如下图所示，加一个频率计我们可以得到频率大概为1000HZ。
峰值为8.243V
4 信号发生器的设计
4.1 方波-三角波信号发生器
4.1.1原理说明
总的思路：由比较器和积分器组成的方波-三角波发生器，比较器主要是产生一个方形波，这个方兴波经过积分电路，变成三角波。这个过程如下图所示
实验原理：
这个电路由正相输入的滞回比较器、反向输入的滞回比较器和RC电路组成，RC即作为延迟环节，有作为反馈网络，通过RC充放电来实现电路。滞回比较器的特点是，当输入信号Ui逐渐增大或逐渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输特性具有滞回性。第一个产生方波的比较器，负端接地，正端输入后面的比较器产生的三角波信号。
正相输入的只会比较器。
该比较器的阈值为
所以改变R3的值是可以改变阈值的，因此在电路设计中，我们将R3选用可调的电阻。当输入的信号在Uth1 和Uth2之间变化时，不会引起输出电压的跳变，就如下图所示，（1）所以当输入的得三角波电压在两者之间的时候，输出的电压为正，其电压值由后面的稳压管决定，（2）当输入的信号大于Uth1时，输出电压发成跳变，变为负值，（3）这种情况一直持续到输入的电压到了Uth2，这样就得到了发生跳变的图形。（4）在输入电压从小于Uth2到逐渐上升到UTH1之后，电压值为正变，如此循环往复得到方形波的输出结果.
这里如果调的参数比较好的话，阈值可以刚好取到最高电压和最低的电压。即输出的波形整个向左移动，刚好移到他们的突变点重合。
反向比较器用来制造三角波（图中缺少积分电路）
反相滞回比较器与正相差不多的，情况刚好是相反的。得到这个电压之后，我们在反向电路器两端加一个积分电路RC振荡电路
当输入的值为正值时，通过该电路，会变成一个负值，这个负值在通过积分电路，变成线性降低的电压。当输入一个负值电压时，通过比较器产生一个正值的电压，再通过积分电路，变成线性升高的电压。
当输入的电压保持不变时，且相位为正时，输出的电压线性降低，当相位为负的时候，输出的电压线性升高。就是以下的图形。
4.1.2 实验电路
电路简化如下
下面这个是将输入的电压换成我们上面稳压器产生的12V与-12V的电压（由于电路的复制不是很好，可能存在部分的电路线残缺，但大体如下）与上面的稳压电源稍有不同，这里
示波器输出的波形如下所示。
波形与理论值差不多，我们可以认为正确。
4.2 可调矩形波发生器
4.2.1 原理说明
实验总思路：本电路设计采用矩形波转变成三角波的波形转换的方法得到矩形波，在其中加一个占空比可调节电路，当积分电路正向积分时间常数远大于方向积分时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分时间常数，那么输出电压上升和下降的斜率相差会很多，这样的话就可以得到占空比可调的矩形波，同时也可以得到锯齿波。
实验原理和上面的方波-三角波的原理非常相似，方波其实是一种特殊的矩形波，方波的正负值区间刚好是一比一，而矩形波则不是一比一的比例，而且矩形波的图没有这么笔直，
如下图所示。
具体原理，在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值点发数值较小时，可以将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，这个三角波的线性度较差，而且带上负载后，电路的性能也会发生变化，如果RW用固定电阻，那么产生的就是三角波，而三角波作为输入又产生了方波，与我们上面的实验相同，图中采用滑动变阻器RW来调节占空比的。
因此时间常数的不同，会使输出波形的周期发生变化
利用一阶RC电路三要素法，我们可以得出
我们可以的看到，RW只改变输出波形的占空比，不改变总的周期。
本实验调节占空比电路设计
频率可调实现（简化电路原理）
我们知道电容充放电的时间取决去Rf*C的值，因此输出波形的正负半周期时间相同。在1/2的周期内，电容充电的起始值为-UT，时间常数为Rf C,时间趋于正无穷时，电容电压趋于
本实验调节频率电路设计
4.2.2 实验电路
与上面所用的稳压电源稍有不同，因为12V的电压过大，不太适合这个这个电路的输出，所以这里把7812替换成7805，使其将电压稳定在5V。
占空比实验数据及结果
调R2=0 R1总=10KΩ
| 电阻RF |
0.15 R1总 |
0.45 R2总 |
0.95 R2总 |
| 图形 |
|
|
|
| 电压峰值 |
8.670V |
8.561V |
8.334V |
| 占空比（正值区间比负值区间） |
大致 1.68（根据时间比出） |
大致0.77 |
大致0.02（非常小） |
这里取 R1=0.45R1总
R2总=50KΩ
调频实验结果
| R |
0.05R2总 |
0.45R2总 |
0.9R2总 |
| 波形 |
 |
 |
 |
| 周期 |
1.305KHZ |
576.988HZ |
388.502HZ |
| 峰值 |
8.623V |
8.612V |
8.602V |
电路中峰峰值 矩形波为
矩形波峰峰值为8.643V 此时对应的频率为2.046KHZ
4.3 可调锯齿波发生器
4.3.1 原理说明
本电路设计采用矩形波转变成三角波的波形转换的方法得到矩形波，在其中加一个占空比可调节电路，当积分电路正向积分时间常数远大于方向积分时间常数，或者反向积分的时间常数远大于正向积分时间常数，那么输出电压上升和下降的斜率相差会很多，这样的话就可以得到占空比可调的矩形波，同时也可以得到锯齿波。
具体原理与上文相同，用的也是同一个电路，这里不重复说了。
4.3.2 实验电路
实验结果（保持与电容之间相连的变阻器阻值为0）
占比可调实验结果
R总=10KΩ
| 电阻RF |
0.15 R总 |
0.45 R总 |
0.95 R总 |
| 图形 |
|
|
|
| 电压峰值 |
42.686V |
29.007V |
20.773V |
| 占空比（斜率为负的区间比斜率为正的区间） |
1.68 |
0.77 |
0.02 |
与矩形波相同的占空比。
调频实验结果
R2总=50kΩ
| R |
0.05R2总 |
0.45R2总 |
0.9R2总 |
| 波形 |
 |
 |
 |
| 频率 |
1.305KHZ |
576.988HZ |
388.502HZ |
| 峰值 |
23.072V |
12.980V |
10.716V |
整个矩形波-锯齿波电路频率可调范围
最小348.566HZ（将RP2调到最大即50KΩ）
最大 3.103kHZ（将RP2调到最小即0）
5 课程设计总结
总的来说，这次的课程设计还是有一些难度的。直流稳压电路的设计主要是要弄清楚每个流程的输出，每部分电路的工作原理，在经过整流滤波稳压之后得到一个比较稳定的电压。在做下面的实验时，因为怕出什么差错，我都是先用Multisim里面的固定电源充当直流电，知道波形调整好之后，才用我上面得到的直流电进行调整。
正弦电路的设计也是参考了书上，只是将它的频率设定为1000hz，多了一些参数的计算。通过本次实验，我深刻理解了电压增益的含义以及电路振荡时一些关键参数。方波 三角波发生器是后面矩形波与锯齿波的基础，只有这个点了设计好了，我们才能产生占比不同的矩形波和锯齿波。其实，我们上课也讲过迟滞比较器，但是我依旧很陌生，通过这个实验，我知道了迟滞比较器的输入 阈值与输出的关系。方波和三角波是相辅相成的，他们这个电路构成一个循环，究其本质其实是傅里叶变化的应用，积分电路将方波积分得到三角波，迟滞比较器又将其还原成方波。矩形波发生器的电路原理与上文的一模一样，是不过是对其输出电压的占比，频率进行分析，得到影响他们的参数，然后在改变这些参数，得到频率与占空比都可以改变的输出矩形波与锯齿波，但是，理论上来说，这些参数的调整应该是连续的，线性可调的，但是在实验中发现，有些阻值会使电路运行到一半就突然出错，至今我也没弄到原因，有可能是测试环境的相关参数没调好。实验还发现，矩形波的峰峰值与锯齿波的峰峰值不是同时取到的。
原电路文件可以私我