波形转换电路的设计

课程设计任务书

学生：专业班级：电信科xxx班 指导老师：工作单位：理工大学理学院

题目：波形转换电路的设计

初始条件：直流稳压电源一台、万用表一块、面包板一块、元器件若干、剪刀、

镊子等必备工具

要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求以及说明书撰写等具

体要求）

1、 技术要求：

设计一种波形转换电路，要求产生频率可调的方波，并且能够实现方波转换为三角波。测试并且记录下不同频率下的方波和三角波的波形图，以及输出电压值。 2、 主要任务：

（一）设计方案

（1） 按照技术要求，提出自己的设计方案（多种）并进行比较；

（2） 以集成电路运算放大器LF353为主，设计一种波形转换电路（实现方

案）；

（3） 依据设计方案，进行预答辩；

（二）实现方案

（4） 根据设计的实现方案，画出电路图；

（5） 查阅资料，确定所需各元器件型号和参数； （6） 在面包板上组装电路；

（7） 自拟调整测试方法，并调试电路使其达到设计指标要求； （8） 撰写设计说明书，进行答辩。

3、 撰写课程设计说明书：

封面：题目，学院，专业，班级，，学号，指导教师，日期 任务书

目录（自动生成）

正文：1、技术指标；2、设计方案及其比较；3、实现方案；

4、调试过程及结论；5、心得体会；6、参考文献 成绩评定表

- 可修编-

. -

时间安排：

课程设计时间：20周－21周

20周：明确任务，查阅资料，提出不同的设计方案（包括实现方案）并答辩； 21周：按照实现方案进行电路布线并调试通过；撰写课程设计说明书。

指导教师签名： 年 月 日

系主任（或负责老师）签名： 年 月 日

目录

1 技术指标错误!未定义书签。 2 设计方案及其比较错误!未定义书签。

2.1 方案一错误!未定义书签。

2.1.1 设计RC文式桥振荡器错误!未定义书签。 2.1.2 设计过零比较器错误!未定义书签。 2.2 方案二错误!未定义书签。

2.3 方案比较.......................................................................................................... 5 3 实现方案错误!未定义书签。

3.1 实验原理图错误!未定义书签。

3.2 工作原理.......................................................................................................... 6

3.2.1 设计方波发生器错误!未定义书签。 3.2.2 设计积分器错误!未定义书签。

3.3 各元器件功能.................................................................................................. 9 3.4 测试线路布线图错误!未定义书签。

- 可修编-

. -

4 调试过程及结论...................................................................................................... 10

4.1 调试过程........................................................................................................ 10 4.2 结论错误!未定义书签。

5 实验心得.................................................................................................................. 11 6 参考文献错误!未定义书签。

- 可修编-

. -

波形转换电路的设计

1 技术指标。

设计一种波形转换电路，要求产生频率可调的方波，并且能够实现方波转换为三角波。测试并记录下不同频率下方波和三角波的波形图，以及输出频率。

2 设计方案及其比较。

2.1 方案一

先利用RC文式桥振荡器产生正弦波，再利用过零比较器把正弦波转化为方波，最后利用积分器把方波转化为三角波。其仿真图如图1。

图1 正弦波法电路

运行仿真输出波形如图2所示：

- 可修编-

. -

图2 正弦波发输出波形 2.1.1 设计RC文式桥振荡器

RC文式桥振荡电路如图3所示，RC串并联网络是选频网络，同时兼有正反馈网络功能，另外增加了R3和R2负反馈网络。

由于f=f0=时，FVmax=；为满足振幅平衡条件=1，所以如图3所示，加入R3

和

R4

支

路

，

构

成

电

压

串

联

负

反

馈

。

F

=1+=3

（1）

- 可修编-

. -

图3 RC文式桥振荡器 运行仿真输出波形如图4所示：

图4 RC文式桥振荡器输出波形

2.1.2 设计过零比较器

图5所示为实用的过零比较器波形转换电路，图中R1为限流电阻，防止vi过大时损坏运算放大器；D1和D2位输入保护二极管，限制输入电阻幅度不变。输出回路R2为限流电阻，D3和D4构成双向稳压二极管，完成输出电压双向限幅，

- 可修编-

. -

使得输出电压的幅度限制为Z。

当输入为正弦波信号时，经过零比较器波形变换，输出为方波信号，电压幅度为正负电源电压；输出为方波，但电压幅度为Z。

图5过零比较器电路电路

运行仿真输出波形如图6所示：

- 可修编-

. -

图6过零比较器输出波形

2.2 方案二

利用振荡电路同时产生方波和三角波，其仿真图如图7。方波转化为三角波电路图如图7所示为具有三角波和矩形波输出的振荡电路。该电路由密勒积分器U1B和斯密特触发器U1A构成，可以产生三角波和矩形波输出。振荡频率由密勒积分器的时间常数R1C1和触发器的滞后电压Vcc(RV1+RV2)/( RV1+RV2+R1)确定，其中为Vcc电源电压。调节电阻R1可以改变振荡频率，而调节电阻RV2既可以改变三角波的输出幅度，也可以改变振荡频率。U1B输出三角波，U1A输出矩形波，它们之间相位差为90度。

图7 自激振荡法电路

2.3 方案比较

方案一较为复杂，主要有三个部分组成，即RC文式桥振荡器、过零比较器和积分器，其中频率可调实现起来，要同时调两个滑动变阻器的电阻，实用性不强，仿真图比较繁琐。方案二利用自激振荡直接产生方波和三角波，仿真图最

- 可修编-

. -

简单，而且有两个滑动变阻器分别调节输出波形的幅度和频率。

3 实现方案

3.1 实验原理图

先利用方波发生器产生方波，再利用积分器把方波转化为三角波。其仿真图如图8所示：

图8 方波发生器法电路 运行仿真输出波形如图9所示：

- 可修编-

. -

图9 方波发生器法输出波形

3.2 工作原理

先利用方波发生器产生方波，再利用积分器把方波转化为三角波。 3.2.1 设计方波发生器

方波发生器利用施密特触发器，再增加少量电阻、电容元件，如图10所示，R和C组成的积分反馈电路。该发生器具有负反馈和正反馈，其中电路的正反馈系数为

F= （2） vP=vO （3）

在接通电源的瞬间，输出电压究竟是处于正向饱和或是负向饱和，这是随机的。假设初始输出电压为负向饱和，即vo=VOL，则加到运算放大器同向输入端的电压为vP=VOL，而加于反向端的电压由于电容器C上的电压vc不能突变，只能由输出电压vo通过负反馈电阻R按指数规律向C充电来建立，显然vc

当vc愈来愈负，直到比FVOL还要小（更负）时，输出电压立即从负饱和值VOL迅速翻转到正饱和值VOH。

这时加到运算放大器同向输入端的电压vP=vOH，而加于反向端的输入电压由于电容器vc不能突变，只能由输出VOH对电容反向充电VC。当vc愈来愈正，直到比FVOH还大（更正）时，输出电压立即从正的饱和值VOH翻转到负饱和值VOL。

如此循环下去，形成方波输出，如图11所示。 根据一阶RC电路的三要素法有周期和频率计算如下

T=T1+T2=2RCln (4)

- 可修编-

. -

图10 迟滞比较器构成的方波发生器 运行仿真输出波形如图11所示：

图11 方波发生器输出波形 3.2.2 设计积分器

电路如图所示，用电容C代替反馈电阻，利用“虚短”和“虚断”两条法则求vovi的关系，有

- 可修编-

. -

vN=vP=0(（5）

虚地)

iC=C=c=-c （6） 由节点电流法可知

IR=iC （7）

=-c （8） vo=-dt （9） 式（9）表明，vovi积分关系，负号表示输入和输出信号相位相反。

当vi为定值时，电容将恒流充电，输出电压为

v=-t （10）

可见v0与t呈线性关系，该电路可作为示波器的扫描电路，也可实现双积分转换器。双积分转换器是一种常用的高精度的转换器，其中R2为平衡电阻，以使运算放大器的输入级差动放大器平衡对称，提高运算精度，R2=R||。若积分器输入矩形波，其输出波形如图12所示。

- 可修编-

. -

图12 积分器电路 运行仿真输出波形如图13所示。

图13 积分器输出波形

3.3 各元器件功能

RV1与C1共同构成一节RC选频网络，选出合适的方波，通过调节RV1的阻值，调节输出方波从而控制输出三角波的频率。R1与R2组成负反馈，控制输出方波的频率。输出波形的周期：2RClnR3与C2共同组成负反馈，构成积分器。

LF353其引脚主要功能如下：1运放A输出端 ；2运放A负输入端；3运放A正输入端；4 负电源电压；5 运放B正输入端；6运放B负输入端；7运放B输出端；8正电源电压。LF353的总体电路设计还是比较简洁的，此类拓扑在目前的功率运算放大器设计中是主流：输入放大级是由两只P沟道JFET组成的共源极差分电路，并且镜像恒流源做负载来提高增益；在输入差分放大级和主电压放大级之间是一个由射极跟随器构成的电流放大级，用来提高主电压放大级的输入阻抗和共源极差分电路的负载增益；主电压放大级是一个简单的单级共射极放大电路，为了保证放大器的稳定性，在主电压放大级的输出端到输入差分放大级的输出端加入了一个电容补偿网络，跟

- 可修编-

. -

补偿电容并联的二极管保证单级共射极放大电路构成的主电压放大级不进入饱和状态工作；输出电流放大级是NPN和PNP构成的互补射极跟随器，两个100Ω的电阻用来稳定输出电流放大级的静态电流，200Ω的电阻用来限制输出短路电流。性能参数：双列直插8角封装。电源电压。开环电压增益110db。偏置电流50p。转换速率13V。输出电压 3.4 测试线路布线图

测试线路布线图如图14所示。

图14布线图

4 调试过程及结论

4.1 调试过程

先固定两个LF353，再从地开始接线。参照仿真图从左向右依次连接元器件，元器件选择要合适。注意接地线要连接准确，LF353的4和8管脚要分别接 直流电源。调试时，先把直流电源的两个电源的正负极相连作为地，以便输出的直流电压。把两个LF353的4和8管脚分别对应连接在一起。然后与直流电源的正负极连接起来。把三个地连接到一起与直流电源的地相连。用万用表检测LF353

- 可修编-

. -

的4和8管脚的电压，并检测电路中其他元器件间是否导通。再把示波器的正极分别与输出波形的输出端相连，负极接地。按auto，观察输出的波形，调节滑动变阻器的阻值，使输出波形的频率便于计算。断开电源，测量RV1的阻值，并记录实验数据，记录在表一中，输出波形如图15所示。

输出频率计算值：f理论= （11） 表一 Rv1阻值和输出波形频率

1 2 3 Rv1 2.04 4.06 6.03 f实际 2.50 1.25 0.833 f理论 2.45 1.23 0.829

图15 布线输出波形

4.2 结论

观察输出图形和上表数据计算实验误差可以看出，在误差允许的围，该实验数据正确，线路布线图正确，产生了频率可调的方波，并且能够实现方波转换为

- 可修编-

. -

三角波。 5 实验心得

这是第一次做课程设计，开始心情比较激动，想着自己能够设计一些东西，把所学应用于实际，格外兴奋。预答辩前，老师要求3种方案，一直苦思冥想，在参考书上查阅类似的知识，花了很久，勉强弄出两种方案，原因是忽视老师所说的至少一种方案要用到LF353，我所设想的方案全部是以LF353为基础的。最后不得已在网上找了一种方案，通过选频网络，自激振荡产生方波和三角波。给我的启示：一定要紧扣字眼，老师说的每一句话必有其用意，认真对待每一件事，那怕是一件很小的事。

凡事预则立，不预则废。预习必不可少，好好预习更加重要。这个实验完全靠自己来完成，考验我们的自学能力，我们在做实验之前要做一系列准备工作，准备工作做得充分，实验才会顺利，在布线时，在网上查了LF353的一些参数，也知道LF353是双运放，但是没有理解双运放的本质，在布线时，凭着主观臆断布线，结果调试时，怎么也出现不了波形。治学应当严谨，不能只学习皮毛，要挖掘本质。一切的学习都是为了实际的应用，理论知识再强，不会应用只是学习的机器。

做实验要踏踏实实，一步一个脚印，不要想跳过任何一步。在调试时，布线正确无误，可是一直没有输出波形。把布线图拆了3次，重新接一直找不到错误。最后迫不得已每一个元器件都检查一下，惊讶的发现滑动变阻器的阻值一直是0，所以没有输出波形。虽然花了很长时间才找到问题，但我庆幸自己这一次在这里烦错误，以后我不会在这里犯错误。在做实验之前，先检查实验仪器，布线完成后，要检查布线图，一切检查完成后再测量数据。

- 可修编-

. -

在撰写实验报告之前，对word一无所知，只是觉得word自己学习起来很吃力，不想学，学了也不知道有什么用处。因此，只会简单地在word里打字。撰写实验报告迫使我不得不学习word，这几天我学习了许多关于word的应用，觉得学到了很多东西。有时候看起来很难得事情，只要你用心去做，你一定会做好。不要为自己的失败找借口，自己的失败都是自己造成的。不要总是等着别人去逼你学习，我们得自己学习。学会如何自我学习。我自身还存在很多不足，以后的改正。

6 参考文献

[1]吴友宇.《模拟电子技术基础》.：清华大学，2009 [2]童诗白，华成英.《模拟电子技术基础》.：高等教育，2009 [3]周新民.《工程实践与训练教程》.：理工大学，2009

- 可修编-

. -

本科生课程设计成绩评定表

姓 名 性 别 男 - 可修编-

. -

专业、班级 课程设计题目：波形转换电路的设计 课程设计答辩或质疑记录： 电信科xxx班 老师提问：“请你讲述一下你的三个方案的区别？” 我今天采用了三种方案，方案一首先利用自激振荡产生正弦波，再利用过零比较器把正弦波转化为方波，最后利用积分器把方波转化为三角波。方案二首先采用方波发生器产生方波，在利用把方波转化为三角波。方案三采用RC自激振荡同时产生方波和三角波。我的三个方案频率都可调。但方案一由三部分组成，比较麻烦，而且调节起来不方便，需要同时调节两个滑动变阻器的阻值，第二个方案相对比较简单，方波发生器很容易产生方波，而且调节频率也方便，我比较倾向于这种方案。方案三是自激振荡产生三角波，这种方案电路图最简单，但部分原理我还没有弄懂。” 老师提问：“如果让你采用你自己的方案，你会吗？” 学生回答：“老师，你好！我会采用自己的方案，三个方案相较而言，我会采取方案二，方案二的实验原理我都搞懂了，而且每一个元器件的功能，我都知道。但不排除在把课程设计搞完后，把另外两个实验方案也实现一下。” 老师回复：“好了！今天的谈话就到这里了，希望你回去后好好准备课程设计。” 成绩评定依据： 评定项目 方案设计 及预答辩 电路布线 及调试 说明书 及答辩 考察点 设计方案的合理性 答辩 电路布线的合理性 电路的调试 说明书撰写的规性 答辩 分数 所占比例 30％ 30％ 40％ 折合分数 总成绩（百分制） - 可修编-

. -

最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定） 年 月 -

签字：

可修编- 指导教师 日