正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與仿真

新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)工程系 黃 婧

正弦波-方波-三角波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)與仿真

新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院工業(yè)工程系 黃 婧

針對(duì)正弦波-方波-三角波三者之間轉(zhuǎn)換時(shí)由于電路復(fù)雜而導(dǎo)致波形易產(chǎn)生畸變的問題,設(shè)計(jì)出了可通過自行選頻、調(diào)幅來進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電路,實(shí)現(xiàn)了三種頻率可調(diào)、清晰完整、未畸變波形的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換,使得波形頻率連續(xù),并且能產(chǎn)生符合設(shè)計(jì)要求的幅值,考慮到頻率和容抗的關(guān)系、影響閾值電壓躍變的外界干擾、二極管的特性,通過仿真,可以證明所提出的電路轉(zhuǎn)換方式可行,并且解決了波形失真問題,從而有效的降低了波形畸變幾率,提高了波形轉(zhuǎn)換后的準(zhǔn)確性.

選頻;調(diào)幅;波形轉(zhuǎn)換;仿真

引言

常見的正弦波-方波-三角波轉(zhuǎn)換電路,由于電路復(fù)雜,所以導(dǎo)致波形不完整、容易產(chǎn)生畸變的原因有很多[1].現(xiàn)在將該波形產(chǎn)生電路分成三部分,即RC振蕩電路產(chǎn)生正弦波,遲滯電壓比較器實(shí)現(xiàn)正弦波-方波轉(zhuǎn)換,積分電路實(shí)現(xiàn)方波-三角波轉(zhuǎn)換.在第一部分電路中,通過選頻和調(diào)幅環(huán)節(jié),在放大電路中引入正反饋,并創(chuàng)造使其可以產(chǎn)生穩(wěn)定振蕩的條件.在第二部分電路中,通過遲滯電壓比較器,預(yù)實(shí)現(xiàn)正弦波到方波的轉(zhuǎn)換.雖然固然單限比較器相對(duì)活絡(luò),可是它的抗干擾本領(lǐng)比較差.而滯環(huán)電壓比較器具有遲滯的特征,也便是慣性,更具備必然的抗干擾本領(lǐng),故選擇滯環(huán)電壓比較器來完成此項(xiàng)轉(zhuǎn)換.在第三部分電路中,我們將反饋電阻用積分電容代替,構(gòu)成積分電路,實(shí)現(xiàn)方波到三角波的轉(zhuǎn)換.基于Multisim軟件仿真后,證明該電路轉(zhuǎn)換可行,并且有效的解決了波形失真問題,降低了波形畸變效率.

1.工作原理

圖1 電路原理圖

a.選頻環(huán)節(jié):

確定電路的振蕩頻率,以確保電路產(chǎn)生正弦振蕩.輸入電壓是放大器電路的輸出電壓:

使虛部為0,變?yōu)榧冸娮桦娐?選頻就結(jié)束了,即: R=Xc

參數(shù)R、C的值均與振蕩的頻率有關(guān),而放大電路中輸入電阻的值在一定程度上也會(huì)影響RC的值;在實(shí)驗(yàn)的電路板中,電容、電抗會(huì)對(duì)頻率造成影響,從而產(chǎn)生誤差;能否起振、是否失真均與放大倍數(shù)息息相關(guān),而放大倍數(shù)又與負(fù)反饋相關(guān),負(fù)反饋越強(qiáng)其放大倍數(shù)就越低.當(dāng)放大倍數(shù)大于3時(shí)就會(huì)存在失真;遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于3時(shí),輸出的為類似方波;小于3時(shí),無(wú)法起振.

b.調(diào)幅環(huán)節(jié):

非線性環(huán)節(jié),其作用是輸出幅值穩(wěn)定的信號(hào).

c.遲滯電壓比較器

u +

u +>u-時(shí),輸出正飽和: u 0=+U0(sat)

聯(lián)系二極管單向?qū)щ姷奶卣?輸入正向電壓時(shí),二極管D1導(dǎo)通,輸出正向電壓5V;輸入負(fù)向電壓時(shí),二極管D2導(dǎo)通時(shí),輸出負(fù)向電壓-5V.即可得到幅值為±5V的方波.[3]當(dāng)運(yùn)算放大器在飽和區(qū)發(fā)揮作用時(shí),兩個(gè)輸入端的輸入電流均為零.此時(shí)理想運(yùn)算放大器的開環(huán)電壓放大倍數(shù)Auo→∞,因此,其線性區(qū)為一與縱軸重合的直線.

集成運(yùn)算放大器同時(shí)又是一個(gè)線性放大元件.由于Auo很高,所以即使輸入毫伏級(jí)以下信號(hào),也足以使得輸出電壓達(dá)到飽和,飽和值為+UO(SAT)或UO(SAT),最終使其達(dá)到接近正電壓電源或負(fù)電壓源電壓值;又或者說,因?yàn)楦蓴_的存在,它的工作難以趨于穩(wěn)定.以下圖所示:

d.積分電路

在反向比例運(yùn)算電路中,我們將反饋電阻RF用積分電容CF[4]代替后,則構(gòu)成了積分預(yù)算電路.根據(jù)"虛短"和"虛斷"觀點(diǎn),輸出信號(hào)u 0與輸入信號(hào)u i的積分成比例.

當(dāng)積分時(shí)間足夠大時(shí),u 0最后達(dá)到負(fù)飽和值-U0(sat).此時(shí)電容C3不再充電,相當(dāng)于斷開,負(fù)反饋此時(shí)將不復(fù)存在,隨之集成運(yùn)算放大器在非線性區(qū)進(jìn)行工作.

2.仿真

電路原理圖是彼此建構(gòu)的Multisim軟件和電路模擬[5].Multisim可以在板級(jí)的模擬、數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)中得到的極好的應(yīng)用.它所具備的電路原理圖的圖形輸入與電路硬件描述語(yǔ)言的輸入方式,使其具備豐碩的仿真闡發(fā)本領(lǐng).

圖2 仿真電路圖

圖3 正弦波-方波-三角波綜合波形圖

3.仿真結(jié)果分析

(1)正弦波頻率誤差分析:

在設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)中要求產(chǎn)生的正弦波頻率在150HZ~250HZ范圍內(nèi)根據(jù)這個(gè)范圍所搭建的實(shí)際仿真電路中的頻率為149.8HZ~251.97HZ.

∴頻率的誤差為:

(2)方波幅值誤差分析:

(3)三角波幅值誤差分析:

綜上所述,經(jīng)過仿真之后可證明該電路可行,且能滿足既定的幅值和頻率要求.

[1]武立華,黃玉,王姣,趙恩銘,劉志海. 基于CPLD的正弦波/方波互換電路及實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2014,34(03):31-35..

[2]楊凱.基于虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)室的電路原理實(shí)驗(yàn)[D].浙江大學(xué),2013.

[3]徐靜萍.具有帶隙結(jié)構(gòu)的遲滯比較器電路設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(06):160-162.

[4]邵霞,彭紅海,周有慶,戴瑜興,王娜.用于電流型電子式電壓互感器的積分電路[J].電子學(xué)報(bào),2014,42(02):405-410.

[5]付揚(yáng).Multisim仿真在電工電子實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2011,30(04):120-122+126.