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)

百科 2024-12-15 11:28 广东

本文详细介绍了电子工程实验中的直流稳压电源和信号发生器的设计过程。实验涵盖了电源变压器、整流、滤波、稳压电路的构建，以及正弦波、方波、三角波信号发生器的原理与实现。通过Multisim软件进行仿真，验证了电路的性能，并探讨了各参数对波形的影响。

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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。

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