波形发生器-电路CAD设计----副本.doc

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太原理工大学现代科技学院

电路CAD 课程设计

设计名称 波形发生器
专业班级
学 号
姓 名
指导教师

摘 要
电路CAD即电路的计算机辅助设计。电路的计算机辅助设计分析是电路设计的基础，也是设计的一个重要环节，因此早期人们也把它称作电路设计。CAD有广泛的应用领域，包括机械制造、土木建筑、电子工程、服装设计等领域。随着各种大规模、高密度新型电子元器件的不断涌现，电路的设计越来越复杂，越来越精密。基于这种迫切要求，电路CAD的设计手段也发生了翻天覆地的变化。其中的Protel和EWB成了在中国用的最多的工具，他们功能强大，使用方便，操作快捷，界面友好，是电子设计者的首选软件。
波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，高电平和低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。本次设计的要求是使用集成运算放大器设计一个能产生方波和三角波的波形发生器。

一、设计任务
1.设计要求：
使用集成运放设计一个波形发生器，产生一个频率为fo = 5 kHz的方波，其电压幅度为+Vs = |－Vs| = 14V。同时产生一个频率为fo = 5kHz的三角波，其幅度为+Vt = |－Vt| = 5V。波形发生器方框图见图（图1）。
方波发生器电路
三角波发生器电路
电源电路
波形发生器方框图

2.设计任务：
（1）方波发生器设计；
（2）三角波发生器设计；
（3）电源电路设计。
二、方案选择
波形发生器一般是指能自动产生正弦波、三角波、方波及锯齿波、阶梯波等电压波形的电压或仪器。根据用途不同，有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件（如视频信号函数发生器S101全部采用晶体管），也可以采用集成电路（如单片函数发生器模块5G8038）。本次波形发生器设计要求产生方波和三角波，矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。
本次波形发生器设计要求产生方波和三角波。滞回比较器具有一定的抗干扰能力，用它可以产生方波。将方波进行积分，可以得到线性度比较好的三角波。因此滞回比较器和积分电路适当的连接起来，即可组成方波—三角波发生器。
三、单元电路设计
1．矩形波发生器电路
矩形波发生电路是其它非正弦发生电路的基础，当方波电压加在积分运算电路的输入端是，输出就获得三角波电压。而矩形波电压只有两种状态，不是高电平，就是低电平，所以电压比较器是它的重要组成部分；因为产生振荡，就要求输出的两种状态自动地相互转换，所以电路中必须引入反馈；因为输出状态应按一定的时间间隔交替变化，即产生周期性变化，所以电路中要有延迟环节来确定每种状态维持的时间。
下图（图4）是矩形发生器电路，它由反相输入的滞回比较器和RC电路组成。RC回路既作为延迟环节，又作为反馈网络，通过RC充，放电实现输出状态的自动转换。

矩形发生电路

原理：将输出电压U0经过RC积分电路，利用电容的充放电电压取代外加输入信号送入比较器反相端，与同相端上的门限电压相比较，使比较器的输出不断发生转化，从而形成高低电平周期性交替的矩形振荡波形。接通电源的瞬间，电容C的初始电压为0，电路输出电压U0使高电平或者低电平是随机的，假设输出电压为高电平U0=+UZ，则运放的同相输入端电位是U+=UT+.
(1)u0通过R对电容C正向充电，使UC增加，当UC上升到略大于UT+，比较器输出电压发生反转，U0由+UZ变为-UZ，同相端的电位U+由UT+变为UT-。
(2)UC通过T对电容反向放电，使UC减小，当UC减小到略小于UT-，比较器输出电压发生反转，U0由-UZ变为+UZ，同相端的电位U+由UT-变为UT+。

2．三角形波发生器电路
在方波发生电路中，当滞回比较器的阈值电压数值比较小时，可将电容两端的电压看成为近似三角波。但是，一方面这个三角波的线性度较差，另一方面带负载后将使电路的性能产生变化。实际上，只要将方波电压作为积分运算电路的输入，在积分运算的输出就得到三角波电压。如图（6）所示。

三角波产生电路
3．电源电路
本设计还要求有电源电路。 稳压电源的设计，是根据稳压电源的输出电压Uo、输出电流Io、输出纹波电压ΔUop-p等性能指标要求，正确地确定出变压器、集成稳压器、整流二极管和滤波电路中所用元器件的性能参数，从而合理的选择这些器件。图（7）为稳压电源.

输出电压可调的稳压电源

四、电路参数确定
已知：三角波的输出幅度为Uom=R1Uz/R2
三角波的振荡频率为f2=R2/4R1R4C
方波的震荡周期T=2RC1n(1+2R1/R2)
本次设计要求f=5kHZ,Uo1=±14V,Uom=±5V.所以设定R1=12kΩ，R2=15kΩ,R3=1kΩ,R5=10kΩ,R6=20kΩ,C1=100μF,C2=100μF。设计可将R6变为滑动变阻器，阻值变化范围为0—20K|Ω，从而使方波输出电压幅度变为可调的。

五、用EWB进行电路分析和仿真
用EWB软件绘制的电路原理如下

仿真结果
1、

2、

六、用Protel绘制的电路原理图和电路板图
1、方波、三角波发生器的设计
电路原理图：

PCB板图：

库元件名
元件符号
元件参数
元件封装
RES2
R1
12KΩ
AXIAL0.3
RES2
R2
15KΩ
AXIAL0.3
RES2
R3
1KΩ
AXIAL0.3
RES2
R5
10KΩ
AXIAL0.3
CAP
C1
100μF
RAD0.2
CAP
C2
100μF
RAD0.2
OPAMP
LM324_1
运放
DIP8
OPAMP
LM324_2
运放
DIP8
OPAMP
uA741_1
运放
DIP8
OPAMP
uA741_2
运放
DIP8
CON
J1
三角波测试端
CON1
CON
J2
方波测试端
CON1
DIODE SCHOTTKY
D1
稳压管
DIODE0.4
DIODE SCHOTTKY
D2
稳压管
DIODE0.4

七、心得体会
在电路CAD课程中学习了非常好用的Protel的使用方法，不过这仅仅是理论知识，通过我在试验和课程设计上的操作与实践，对于protel软件的使用和操作有了更加直观的认识，对于CAD的理解也是更加的深入。能够达到了自己设计绘制电路拌的能力。
八、主要参考资料
1．

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