標(biāo)題: 方波轉(zhuǎn)正弦波-集成運放運算電路設(shè)計 [打印本頁]

作者: 喜樂安寧    時間: 2019-6-9 10:19
標(biāo)題: 方波轉(zhuǎn)正弦波-集成運放運算電路設(shè)計
隨著不斷進(jìn)步的計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù),許多電子學(xué)領(lǐng)域的產(chǎn)品,諸如電話、電視、收音機(jī)都需要波形的轉(zhuǎn)換,波形轉(zhuǎn)換的重要性不可忽略的。
本設(shè)計主要將方波轉(zhuǎn)化為正弦波,設(shè)計方案是輸入的方波經(jīng)過積分器可得到三角波,三角波經(jīng)過差分放大電路以及鏡像恒流源電路轉(zhuǎn)換成正弦波,實現(xiàn)功能。

摘要

一、設(shè)計任務(wù)與要求
二、方案設(shè)計與論證
三、單元電路
四、總原理圖及元件清單
五、參數(shù)計算
六、性能測試與分析
七、結(jié)論與心得
八、參考文獻(xiàn)

集成運放運算電路設(shè)計

一、設(shè)計任務(wù)與要求

1.集成運放運算電路設(shè)計

2.設(shè)計一個積分運算電路,用于將方波變換為正弦波,已知輸入方波的幅值為2V,周期為1ms。

二、方案設(shè)計與論證

本課設(shè)為將方波變換為正弦波,題目要求利用積分電路來設(shè)計電路,而積分電路只能將方波轉(zhuǎn)換為三角波,并不能直接將方波變換為正弦波。因此,還需要有其他電路將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。根據(jù)對題目的分析我們得到以下幾個方案:

方案一:方波——>(積分電路)三角波——>(有源低通濾波電路)正弦波;

方案二:方波——>(積分電路)三角波——>(差分放大器)正弦波

方案三:方波——>(積分電路)三角波——>(折線逼近法)正弦波

上述方案的優(yōu)缺點:

優(yōu)點:對于方案一所需元器件少,節(jié)約了成本,更重要的是利于焊接和調(diào)試;對于方案二可通過調(diào)零電位器使差分電路對稱;方案三不受輸入電壓頻率范圍的限制,便于集成化。

缺點:方案一只適合固定頻率或者頻率變化很小的場合;方案二中所需元件較多,焊接與調(diào)試有一定難度;方案三的反饋網(wǎng)絡(luò)中電阻的匹配比較困難

此次設(shè)計我采用方案二,利用積分電路、差分放大電路的單端輸入和單端輸出和鏡像電流源來實現(xiàn)。


三、單元電路

本系統(tǒng)主要分為3個單元模塊,它們分別是:積分電路、差分放大器電路和鏡像恒流源電路。各單元模塊功能及相關(guān)電路的具體說明如下。

3.1積分電路的模塊設(shè)計3.1.1模塊的具體功能

該模塊主要是將方波通過積分電路轉(zhuǎn)換為三角波輸出。如圖1所示:集成運放同相輸入端接電阻后接地,反相輸入端輸入方波,經(jīng)反饋電路中的電容積分,變?yōu)槿遣ê筝敵。由積分運算電路輸出函數(shù):,將輸入信號進(jìn)行積分運算得到一個三角波信號

3.1.2模塊的組成和工作原理

該模塊由、和集成運放構(gòu)成積分電路,方波信號轉(zhuǎn)換為三角波輸出。積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為鋸齒波或三角波,還可將鋸齒波轉(zhuǎn)換為拋物波。電路原理是基于電容的充放電原理,其中重要的是電路的時間常數(shù)RC,構(gòu)成積分電路的條件是電路的時間常數(shù)必須大于或等于10倍輸入波形的寬度。

3.1.3模塊的具體電路如圖1所示

圖1  積分電路模塊電路圖

3.1.4模塊的電路分析

由虛短知,反向輸入端的電壓與同向端相等,

由虛斷知,通過的電流與通過的電流相等。

通過的電流,

通過的電流

所以,,即輸出電壓與輸入電壓對時間的積分成正比。

3.2差分放大器電路的模塊設(shè)計3.2.1模塊的具體功能

該模塊主要是將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。

3.2.2模塊的組成和工作原理

該模塊由、以及、構(gòu)成單端輸入-單端輸出的差分式放大電路。根據(jù)差分式放大電路抑制共模信號,放大差模信號的特性,將一端接輸入三角波輸入,一端接地,輸出一個三角波。再利用差分放大器的非線性傳輸特性,使三角波波峰處于非線性區(qū),可將波峰失真成圓頂,并通過差分放大器的對稱性,使信號上下都獲得相同的失真,最終得到一個正弦波。

3.2.3模塊的具體電路如圖2所示


圖2 差分放大器電路圖

3.2.4模塊的電路分析

、采用三極管2N222(),它與電阻、、及電位器共同組成差分放大器的基本電路。其中電容、分別為隔直電容和濾波電容,以消除諧波分量,改善輸出波形。

3.3鏡像恒流源電路的模塊設(shè)計3.3.1模塊的具體功能

該模塊主要是用來調(diào)節(jié)差分放大器的Q點。

3.3.2模塊的組成和工作原理

該模塊由、構(gòu)成鏡像恒流源電路。通過調(diào)節(jié)電位器,使此電路產(chǎn)生的電流變化流入放大器,使其靜態(tài)工作點發(fā)生變化,從而使信號發(fā)生失真。



3.3.3
模塊的具體電路如圖3所示

圖3 鏡像恒流源電路圖

3.3.4模塊的電路分析

與電阻、共同組成恒流源電路,為差分對管的射極提供恒定電流。由于差分式放大電路的靜態(tài)工作點由恒流源決定,故鏡像恒流源電路是為了獲得 ,一般為一毫安或者幾毫安,這里設(shè)定的值為。


四、總原理圖及元件清單
4.1.總原理圖

                                                                                                  圖4 總原理圖

4.2元件清單


五、參數(shù)計算
5.1積分電路5.1.1 的確定

首先要確定三角波斜率,使之不會過大或過小,難以形成三角波。

根據(jù)進(jìn)行計算:

內(nèi),

因為輸入的方波幅值為2V,周期為1ms,利用圖像分析可得:

三角波斜率的絕對值之間,令,可得。

5.1.2. 的確定

為濾波電容,濾掉不需要的諧波,使波形更加接近正弦波。此值根據(jù)輸入信號的頻率確定,該電路取4.7μF。

5.2差分放大器電路5.2.1. 、、的確定

差分放大電路的靜態(tài)工作點主要由恒流源決定.因為越小,恒流源越恒定,溫漂越小,放大器的輸入阻抗越大。但是也不能太小,這里取,則。從而可求得:

令輸入阻抗不小于兩千歐,根據(jù)可得:==1;

令放大電路的放大倍數(shù),根據(jù)可求得,故取==500。

5.2.2. 、的確定

為濾波電容,濾掉不需要的諧波,使波形更加接近正弦波。此值根據(jù)輸入信號的頻率確定,此電路取4.7μF;的作用是濾除高次諧波,一般取幾十到一百皮法,此電路取50pF。

5.3鏡像恒流源電路5.3.1、的確定

對恒流源電路進(jìn)行靜態(tài)分析可得:

則                                                                                                               

射極電阻一般取幾千歐姆,這里取==2.5.,則.為方便調(diào)整, 電位器來代替。


六、性能測試與分析


由示波器可見,經(jīng)過積分電路后,輸入的方波轉(zhuǎn)換為了三角波。

由示波器結(jié)果可見,幅值為2V,周期為1ms的方波在經(jīng)過設(shè)計電路后變?yōu)榱苏也ā?/font>

七、結(jié)論與心得

經(jīng)過了一個多星期的不停的檢測和修改,終于把最終的電路圖和成品完成了。經(jīng)過了這次課程設(shè)計,大大地提高了我的動手能力以及分析問題的能力,并且鞏固了書本上的知識。通過上網(wǎng)查詢資料的過程中我也學(xué)到了很多書面上沒有搞懂的問題。這次課程設(shè)計,讓我學(xué)到了很多有用的知識和能力,我相信對以后的學(xué)習(xí)和工作都將是非常有益的。

在整個過程中,用Multisim軟件仿真是這次設(shè)計的難點,雖然以前在課外學(xué)習(xí)中接觸過一些電子電路,但在初期還是感到無從下手。這是我第一次接觸Multisim軟件,感覺它比Protel更靈活易用,熟練以后十分順手。在整個電路的設(shè)計過程中,花費時間最多的是各個單元電路的連接及電路的細(xì)節(jié)設(shè)計上,但有時接線,因為不夠細(xì)心,造成整個電路無法運行,最后還是在通過多次對電路仿真,使整個電路可穩(wěn)定工作。設(shè)計過程中,我深刻的體會到在設(shè)計過程中,需要反復(fù)實踐,其過程很可能相當(dāng)煩瑣,有時花很長時間設(shè)計出來的電路還是需要重做,那時心中未免有點灰心,有時還特別想放棄,此時更加需要靜下心,查找原因。設(shè)計思路是最重要的,只要你的設(shè)計思路是成功的,那你的設(shè)計已經(jīng)成功了一半。因此我們應(yīng)該在設(shè)計前做好充分的準(zhǔn)備,像查找詳細(xì)的資料,為我們設(shè)計的成功打下堅實的基礎(chǔ)。


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作者: tieq1952    時間: 2019-6-10 08:06
謝謝分享。!
作者: wcs1668    時間: 2019-8-13 09:35
樓主此電路單片機(jī)播放音樂有效果嗎?
作者: 阿木123    時間: 2019-8-13 15:23
謝謝分享。!




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