電子技術課程設計報告波形產(chǎn)生與變換

1、電子技術課程設計報告波形產(chǎn)生及變換 姓 名：Frege專業(yè)班級：電氣合1402所屬學院：電氣工程與自動化學院指導老師：王允建2016 年 7 月 1 日波形產(chǎn)生與變換電路的設計摘 要波形發(fā)生器廣泛地應用于各大院校和科研場所。隨著科技的進步，社會的發(fā)展，單一的波形發(fā)生器已經(jīng)不能滿足人們的需求。本文利用555定時器構成多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后分別通過積分、濾波電路輸出三角波、正弦波、三倍頻率正弦波。放大器件為LM324N四路放大器，以積分、傅立葉分解等為理論基礎，通過運放構成的各種濾波電路對方波進行各種波形變換。它的制作成本不高，電路簡單，使用方便，有效的節(jié)省了人力，物力資源，具有實際的應用價值。

2、實驗包括仿真與實際連線兩步，仿真采用Multisim仿真軟件，連線采用面包板。關鍵詞：555定時器；LM324N四路放大器；Multisim仿真；面包板接線The design of the signal and conversion circuitAbstractWaveform generators are widely used in major universities and research establishments. With advances in technology, social development, a single waveform generator alr

3、eady cannot satisfy peoples needs. In this paper constitutes a 555 timer multivibrator generating a square wave, then respectively through integral, filter circuit and output triangle wave, sine wave, triple frequency sine wave. Amplifying device is LM324N, based on the theory of integral, Fourier d

4、ecomposition and so on, through the op-amp composition of various filter circuit wave for the various waveform transformation. Its production cost is not high, the circuit is simple, easy to use, effectively saving manpower, material resources, have practical value. Experiments include simulation an

5、d actual connection step, simulation using Multisim simulation software, connect using breadboard.Keywords: 555 timer; LM324N four-way amplifier; Multisim simulation; breadboard connection目 錄1 設計指標及要求12 設計思路及系統(tǒng)框圖12.1 設計思路12.2 系統(tǒng)框圖13 各單元硬件電路設計23.1 555定時器23.1.1 555定時器電路組成：23.1.2 555定時器引腳的作用：23.1.3 555

6、定時器基本功能33.2 方波產(chǎn)生電路43.3 三角波產(chǎn)生電路53.4 正弦波產(chǎn)生電路63.5 三次正弦波發(fā)生電路74 完整電路圖及其仿真75 面包板接線圖及實驗結果分析96 元器件清單117 心得體會111 設計指標及要求設計一波形產(chǎn)生變換電路，輸出方波、三角波、正弦基波和正弦三次諧波。要求：1、頻率范圍1k10k。2、輸出信號峰峰值不小于1V。3、信號失真要小。4、使用集成模塊555定時器和LM324運放，在面包板上實現(xiàn)設計功能。5、用面包板插接電路，示波器顯示波形。2 設計思路及系統(tǒng)框圖2.1 設計思路本次設計的基本思路是采用555定時器構成多諧振蕩器產(chǎn)生方波，然后分別通過積分、低通濾波、

7、帶通濾波電路輸出三角波、正弦波、三倍頻率正弦波。對555定時器輸出的波形進行積分運算可以得到三角波，所以三角波可以通過將555定時器產(chǎn)生的方波通過無源RC積分電路得到的，但是無源積分電路對于信號的衰減比較嚴重，因此需要在RC積分電路的輸出端接一個反相放大器，把波形放大到合適的幅值。 對方波進行傅立葉變換，可以把方波分解為一系列頻率是基波頻率奇數(shù)倍的正弦函數(shù)，采用低通濾波器可以得到的正弦波。將方波中的基波和三次以上的諧波濾除，只保留三次諧波部分，即可得到相應的正弦三次諧波。2.2 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)設計框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)框圖3 各單元硬件電路設計3.1 555定時器555定時器是一種應

8、用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩(wěn)、多諧和施密特觸發(fā)器。本實驗通過將555接成自激多諧振蕩器產(chǎn)生方波。 3.1.1 555定時器電路組成：（1）圖3-1為555集成定時器555定時器的內(nèi)部邏輯圖，其由五個組成；（2）由三個阻值為5k的電阻組成的分壓器；（3）兩個電壓比較器C1和C2：v+v時vo=1；v+v時vo=0。 （4）基本RS觸發(fā)器；（5）放電三極管T及緩沖器G。TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 kW 5 kW 5 kW &1RDVCC(8)G圖3-1 555定時器的內(nèi)部邏輯

9、圖3.1.2 555定時器引腳的作用： 1引腳：接地端，與地相接； 2引腳：低觸發(fā)輸入端； 3引腳：電壓輸出端Vo； 4引腳：是直接清零端。當此端接低電平，則時基電路不工作，此時不論TR、TH處于何電平，時基電路輸出為“0”，該端不用時應接高電平。5引腳:：VC為控制電壓端。若此端外接電壓，則可改變內(nèi)部兩個比較器的基準電壓，當該端不用時，應將該端串入一只0.01F電容接地，以防引入干擾。6引腳：TH高輸入端； 7引腳：放電端； 8引腳：電源輸入端。外接電源VCC，雙極型時基電路VCC的范圍是4.5 16V，CMOS型時基電路VCC的范圍為3 18V。一般用5V。3.1.3 555定時器基本功能

10、當5腳懸空時，比較器C1和C2的比較電壓分別為ccV32和ccV31 （1）當vI12/3VCC，vI21/3VCC時，比較器C1輸出低電平，C2輸出高電平，基本RS觸發(fā)器置0，放電三極管T導通，輸出端vO為低電平。 （2）當vI12/3VCC，vI21/3VCC時，比較器C1輸出高電平，C2輸出低電平，基本RS觸發(fā)器置1，放電三極管T截止，輸出端vO為高電平。 （3）當vI11/3VCC時，比較器 C1輸出高電平，C2也輸出高電平， 即基本RS觸發(fā)器R=1，S=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。 由于閾值輸入端(vI1) 為高電平（2/3VCC）時，定時器輸出低電平，因此也將該端稱為

11、高觸發(fā)端（TH）。 因為觸發(fā)輸入端(vI2)為低電平（1/3VCC）時，定時器輸出高電平，因此也將該端稱為低觸發(fā)端（TL）。另外，RD為復位輸入端，當RD為低電平時，不管其他輸入端的狀態(tài)如何，輸出vo為低電平，即RD的控制級別最高。正常工作時，一般應將其接高電平。555定時器功能表如圖3-2：圖3-2 555定時器功能表3.2 方波產(chǎn)生電路方波電路如圖3-3所示：圖3-3 方波電路當電容C1被充電時，2和6引腳的電壓都上升，此時二極管D1導通，接通電源后，電容C1被充電，Vc上升，當Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器被復位，同時放電BJT T導通，此時輸出電平Vo為低電平，電容C1通過R2和T放

12、電，使Vc下降。當Vc下降到Vcc/3時，觸發(fā)器又被置位，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。 電容器C1經(jīng)R2，R3，他們此時所分的總阻值為R1向電容C1放電,放電所需的時間為： tPL=R1*C1* ln20.7* R1*C1； 當C1放電結束時，T截止，Vcc將通過R1、R2所分得的阻值為R3向電容器C2充電，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的時間為： tPH=R3*C2* ln20.7*R3*C2；當Vc上升到2Vcc/3時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復始，在輸出端就得到了一個周期性的方波，其頻率為：f=1 / (tPL+tPH) 1.43 / (R1+R2) *C1 穩(wěn)態(tài)時555電路輸入端處于電

13、源電平，內(nèi)部放電開關管T導通，輸出端Vo輸出低電平，當有一個外部負脈沖觸發(fā)信號加到Vi端。并使2端電位瞬時低于1/3Vcc，低電平比較器動作，單穩(wěn)態(tài)電路即開始一個穩(wěn)態(tài)過程，電容C開始充電，Vc按指數(shù)規(guī)律增長。當Vc充電到2/3Vcc時，高電平比較器動作，比較器A1翻轉(zhuǎn)，輸出Vo從高電平返回低電平，放電開關管T重新導通，電容C上的電荷很快經(jīng)放電開關管放電，暫態(tài)結束，恢復穩(wěn)定，為下個觸發(fā)脈沖的來到作好準備。波形如圖3-4所示：圖3-4 方波波形3.3 三角波產(chǎn)生電路三角波電路如圖3-5所示：圖3-5 三角波電路基本原理是利用無源RC積分電路將產(chǎn)生的方波變成三角波。 令輸入電壓為輸出為，流過電容 C

14、的電流為，則由公式(3-1)得： (3-1)即輸出電壓與輸入電壓成積分關系。當為固定值時，表明輸出電壓斜率固定的直線，變化，輸出電壓也隨著發(fā)生變化。因而當為矩形波時，便成為三角波。此外，由于電容和滑動變阻器的存在，使得輸出的三角波在輸入矩形波頻率一定的時候也能適當調(diào)整，電容的存在，又濾除了其他波的干擾。提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 該部分的電路主要是一個無源積分電路加一個反相放大器，R2與C5構成積分電路，其大小的選取主要是要保證RC積分電路的時間常數(shù)要小于方波的周期，這樣才能保證RC電路對方波的有效積分，不會出現(xiàn)失真的情況。放大電路的放大倍數(shù)是由R18與R19決定的，方波信號經(jīng)過無源RC積分電路大

15、約衰減16倍左右， 這里將三角波放大5倍即可滿足幅值大于500mV的要求。因為放大器采取的是單電源供電，所以要在同相輸入端接一個偏置電壓，這樣才能保證對信號完整的放大。3.4 正弦波產(chǎn)生電路正弦波電路如圖3-6所示：圖3-6 正弦波電路基波正弦波產(chǎn)生電路采用有源低通二階濾波電路構成，二階壓控電壓源低通濾波電路由兩個RC環(huán)節(jié)和反相比例放大電路構成。其通帶電壓放大倍數(shù)如公式(3-2)： (3-2)其傳遞函數(shù)公式(3-3)為：(3-3) 其中Wo=1/RC 為截止角頻率，它是二階低通濾波器通帶與阻帶的界限頻率。 為品質(zhì)因數(shù)，它的大小影響低通濾波器在截止頻率處幅頻特性的形狀。3.5 三次正弦波發(fā)生電路

16、三次正弦波電路如圖3-7所示：圖3-7 三次正弦波電路基本原理是采用帶通濾波方法對輸入的方波濾波，提取出三次諧波，經(jīng)放大后輸出為3倍頻率正弦波。原理與3.4類似，但本實驗為兩RC電路分別構成低通高通濾波電路，級聯(lián)，構成所謂的帶通濾波電路，對電阻R及電容C進行調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對實驗要求的3次諧波的提取。4 完整電路圖及其仿真整體電路圖如圖4-1所示：圖4-1 整體電路Multisim中仿真波形如下圖4-2：圖4-2 仿真波形從仿真的結果來看，結果基本與預期一致。但是，正弦三次諧波的存在一定的誤差。分析其原因，可能是耦合電容選取不當，對輸入信號產(chǎn)生了一定的影響；也可能是同相輸入端的電阻選得有點小，并

17、且沒有并聯(lián)電容，有干擾電流流入運放。 5 面包板接線圖及實驗結果分析面包板接線圖如圖5-1所示：圖5-1 面包板接線圖實驗結果如下：方波波形如圖5-2所示：圖5-2 方波波形三角波波形如圖5-3所示：圖5-3 三角波波形正弦波波形如圖5-4所示：圖5-4 正弦波波形三次正弦波波形如圖5-5所示：圖5-5 三次正弦波波形由圖可見，方波、三角波、正弦波的波形比較標準，但三次諧波效果并不是太好。實物連接的過程中也不順利，不是波形不出現(xiàn)，毛刺太多，就是波形抖動失真不規(guī)則。最頭疼的三次諧波，按照仿真圖上怎么調(diào)節(jié)都無法出現(xiàn)想要的結果，最后經(jīng)過多次分析，嘗試，換了各種大小的電阻電容后也無法與理想結果接近。通過本次實驗也讓我們認識到理論與實際的差異，以及自己對知識理解的不深入，對自身優(yōu)勢與缺點也有了更深刻的認識，實際收獲無疑也是巨大的。6 元器件清單芯片：LM555CM；LM324N；電阻：若干； 電容：若干；5V電源；示波器；面包板7 心得體會整個課程設計讓我們深刻認識到了“理論聯(lián)系實際”的這句話的重要性，讓我們感觸頗深。在波形的產(chǎn)生設計過程中，我們對抽象的理論有了具體的認識，掌握了不少常用元件的識別和測試，熟悉了各種儀器儀表的使用。通過此次課程的設計，我不但了解了我對電子技術這門課知識的掌握