方波產(chǎn)生與波形變換電路教材

1、電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)評分表課程設(shè)計(jì)題目：方波產(chǎn)生與波形變換電路班級：學(xué)號：姓名:項(xiàng)目評分比例得分課程設(shè)計(jì)出勤10%課程設(shè)計(jì)態(tài)度20%課程設(shè)計(jì)報(bào)告40%課程設(shè)計(jì)答辯30%課程設(shè)計(jì)總成績指導(dǎo)老師：2013年1月 日常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)說明書課程名稱：電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：方波產(chǎn)生與波形變換電路班級:姓名：學(xué)號：指導(dǎo)老師：設(shè)計(jì)時(shí)間：目錄1 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 32 總體設(shè)計(jì)方案 52.1 方波產(chǎn)生電路的方案選擇 52.2 方波三角波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇 62.3 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇 63 各組成部分的設(shè)計(jì)及其原理 73.1 方波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及其原理 7

2、3.2 方波 - 三角波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理 83.3 三角波- 正弦波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理 94 元器件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)的計(jì)算 105 總體電路原理圖及整個(gè)電路的工作原理 116 電路仿真圖及其工作波形 126.1 方波產(chǎn)生電路仿真圖及波形 126.2 總電路仿真圖及波形 137 收獲和體會(huì) 168 參考文獻(xiàn) 171電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱：方波產(chǎn)生和波形變換電路1.1設(shè)計(jì)目的1.1.1 了解集成運(yùn)放電路的組成和使用；1.1.2 了解集成運(yùn)放幾種典型應(yīng)用電路的工作原理；1.1.3掌握利用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)方波產(chǎn)生電路、波形變換電路和調(diào)試的方法.1.2設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1.2.1利用多

3、個(gè)運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)方波產(chǎn)生和波形變換電路；1.2.2對產(chǎn)生的方波信號的幅度和頻率不做統(tǒng)一規(guī)定，請自行設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的方波 信號經(jīng)積分電路得到三角波，再對三角波進(jìn)行有源低通濾波，最終得到正弦波；1.2.3電路工作電源為土 12V ；1.2.4畫出電路圖，寫出完整的報(bào)告;1.2.5用面包板搭出電路，并調(diào)試之。1.3總體方案參考14設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容要求1.4.1寫出你考慮該問題的基本設(shè)計(jì)思路，畫出一個(gè)實(shí)現(xiàn)電路功能的大致框圖。1.4.2. 畫出框圖中的各部分電路，只允許采用運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)方波產(chǎn)生、波形變換 和低通濾波。對各部分電路的工作原理應(yīng)作出說明。1.4.3. 畫出整個(gè)設(shè)計(jì)電路的原理電路圖，并簡要地說明電

4、路的工作原理。1.4.4. 評分依據(jù)：設(shè)計(jì)思路；單元電路正確與否；整體電路是否完整； 電路原理說明是否基本正確；報(bào)告是否清晰；答辯過程中回答問題是否基 本正確。1.5. 課程設(shè)計(jì)說明書的格式1.5.1評分表1.5.2封面1.5.3目錄1.5.4正文（1）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書；（ 2）總體設(shè)計(jì)方案（畫出一個(gè)實(shí)現(xiàn)電路功能的大致框圖） ；（3）單元電路（各組成部分電路）設(shè)計(jì)及其原理說明；（4）元器件的選擇及其相關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)、參數(shù)的計(jì)算；（5）總體電路原理圖及整個(gè)電路的工作原理。1.5.5課程設(shè)計(jì)中的收獲和體會(huì)1.5.6參考文獻(xiàn)2總體設(shè)計(jì)方案完成方波產(chǎn)生和波形變換的電路設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)一方波發(fā)生電路產(chǎn)生方波，

5、 然后，產(chǎn)生的方波通過方波一三角波轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為三角波， 其次產(chǎn)生的三角波 通過三角波一正弦波轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為正弦波，并通過示波器顯示出來。實(shí)現(xiàn)電路 功能的大致框圖如下：圖2-1總體設(shè)計(jì)框圖2.1方波產(chǎn)生電路的方案選擇方波產(chǎn)生電路有以下兩種方案可供選擇：方案一：由電壓（滯回）比較器及其外圍電路組成的方波產(chǎn)生電路。滯回比 較器又稱施密特觸發(fā)器，這種比較器的特點(diǎn)是當(dāng)輸入信號ui逐漸增大或逐漸減小時(shí)，它有兩個(gè)閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。方案二：由555定時(shí)器及其外圍電路組成的方波產(chǎn)生電路。 555定時(shí)器是一 種多用途的數(shù)字一模擬混合集成電路， 它的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比

6、 較器的輸出電壓控制RS觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5腳懸空時(shí)，則電壓比較器 A1的反相輸入端的電壓為2VCC /3，A2的同相輸 入端的電壓為VCC /3。若觸發(fā)輸入端TR的電壓小于VCC /3,貝吐匕較器A2的 輸出為1，可使RS觸發(fā)器置1，使輸出端0UT=1。如果閾值輸入端TH的電壓 大于2VCC/3，同時(shí)TR端的電壓大于VCC /3,則A1的輸出為1，A2的輸出 為0 ,可將RS觸發(fā)器置0 ,使輸出為0電平。將方案一與方案二對比后，我選擇了方案二，即由555定時(shí)器組成的方波產(chǎn) 生電路。之所以選擇方案二，是因?yàn)?555定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外 接幾個(gè)電阻、電

7、容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器脈沖產(chǎn)生與變換電路，在實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)中易于滿足要求。2.2方波一三角波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇方波一三角波轉(zhuǎn)換電路，我就米用了 RC積分電路，此電路簡單實(shí)用，在電 路設(shè)計(jì)中易于實(shí)現(xiàn)、滿足要求。2.3三角波一正弦波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇三角波一正弦波轉(zhuǎn)換電路有以下兩種方案可供選擇：方案一：由差分放大電路組成的三角波一正弦波轉(zhuǎn)換電路， 差分放大電路具 有工作穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)，特別是作為直流放大時(shí)，可以有效 地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變成正弦波， 有效的利用了差分放 大傳輸特性曲線的非線性。缺點(diǎn)：差分放大電路比較復(fù)雜，布局中有較多的晶體 管，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中

8、不易實(shí)現(xiàn)。方案二：由二階低通濾波電路組成的三角波一正弦波轉(zhuǎn)換電路，低通濾波電路的設(shè)計(jì)較為簡單，在實(shí)際中易于設(shè)計(jì)，減少工作量，且能完成預(yù)定的工作要求。將方案一與方案二對比后，我選擇了方案二，即二階低通濾波電路組成的三 角波一正弦波轉(zhuǎn)換電路。3各組成部分的設(shè)計(jì)及其原理3.1方波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及其原理方波發(fā)生電路采用555定時(shí)器與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器，來產(chǎn)生方波。圖3-1 555定時(shí)器組成的多諧振蕩器用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3-1所示。接通電源后，電容 C2被充 電，當(dāng)電容C2上端電壓 V 升到2Vcc/3時(shí)使555第3腳 V為低電平，同時(shí)555 內(nèi)放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C2通過R3

9、、Rp放電，Vc下降。當(dāng)Vc下降到 Vcc/3時(shí)，Vo翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器C2放電所需的時(shí)間為：tpL= ( R3 +Rp) C2ln2(3-1)當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc將通過R1、R3、Rp向電容器C2充電，Vc由Vcc/3 上升到2Vcc/3所需的時(shí)間為：tpH= (R1+R3+ Rp) C2I n2=0.7( R1+R3+ Rp) C2(3-2)當(dāng)Vc上升到2Vcc/3時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，于是，在電路的輸出端就得到一個(gè)周期性的矩形波。電路的工作波形如圖4,其震蕩頻率為:(3-3)f=1/(tpL+tpH)=1.43/(Ri+2R3+2Rp) C2KHHh圖3-2 由

10、555定時(shí)器組成的多諧振蕩器工作波形3.2方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理方波-三角波轉(zhuǎn)換電路采用積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波。積分電路及其工作波形如圖3-3所示E0圖3-3積分電路產(chǎn)生三角波RC積分電路是一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號運(yùn)算電路。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，常用積分電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。此外， RC積分電路還可以用于延時(shí)、定時(shí)以及各 種波形的產(chǎn)生或變換。由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng) C4耦合輸 出，如圖3-3所示為RC積分電路，再經(jīng)R與C積分，構(gòu)成接近三角波。其基本 原理是電容的充放電原理。3.3三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路采用低通濾波電路將三角波轉(zhuǎn)換

11、為正弦波。低通濾 波電路如圖3-4所示R6R5Z=C7C6圖3-4低通濾波電路低通濾波電路是容許低于截止頻率的信號通過，但高于截止頻率的信號不能通過的電路。4元器件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)的計(jì)算元器件的選擇清單如下表1。方波的周期為T= tpL + tpH =(Ri+2R3+2Rp) C2In2 ,頻率f=1/T。方波電壓幅值為土 5V。表1元器件的選擇清單類型規(guī)格數(shù)量備注電阻O.51K011KQ162K011KQ3滑動(dòng)變阻器20KQ1-H- UL 心片555芯片1電容100uF110uF11uF10.1uF20.01uF2發(fā)光二極管LED15總體電路原理圖及整個(gè)電路的工作原理總體電路原理圖如圖

12、5-1所示。總電路圖的原理：555定時(shí)器接成多諧振蕩 器工作形式，C2為定時(shí)電容，C2的充電回路是RMRARiC2; C2的放電回路 是CMRiRIIC的7腳（放電管）。由于R3+RP R2,所以充電時(shí)間常數(shù)與放 電時(shí)間常數(shù)近似相等，由IC的3腳輸出的是近似對稱方波。按圖所示元件參數(shù)， 其頻率為1kHz左右，調(diào)節(jié)電位器RP可改變振蕩器的頻率。方波信號經(jīng) R4 C5 積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三角波再經(jīng) R5 C6積分網(wǎng)絡(luò)，輸出近似的正弦波。 C1是電源濾波電容。發(fā)光二極管 VD用作電源指示燈。圖5-1總體電路原理圖6電路仿真圖及其工作波形6.1方波產(chǎn)生電路仿真圖及波形在繪制仿真電路圖時(shí)，首先繪制

13、了方波產(chǎn)生電路仿真圖，如圖6-1所示，產(chǎn)生了如圖6-2所示的工作波形，從圖上可以看出，方波波形基本符合要求，不失直。圖6-1方波產(chǎn)生電路仿真圖密 OjcillaMopt-XSClT2-T1|TW3.690 s3.0$0.000 s匚 h#nd 丄OwrielJP12.0MV12.OTOV0-000 VReverseSaveTlrraebase 沏電 pmsiiv X PD5ftH1 |dEhannel ACharnel BEtfl卜血| 3 卩 vy&vY1 posrtan -L2pMitson ID-TriggerEdge 孑電 IFLevelo圖6-2方波產(chǎn)生電路的工作波形6.2總電路仿真

14、圖及波形R2血l二也二3丑-Dn S 1Xv Scale T而7Channel 日Scale fF而7TriggerEdge圖6-4總電路圖產(chǎn)生的方波f Os+CTC P匚寸el虛 1 7A. W圖6-5總電路圖產(chǎn)生的三角波Oscil loscope-XSC 3TimeChannel AChannel 9i27,007 ms4.714 VReverse圖6-6總電路圖產(chǎn)生的正弦波仿真電路總圖如圖6-3所示，總電路產(chǎn)生了分別如圖6-4所示的方波，如圖 6-5所示的三角波，如圖6-6所示的正弦波。從圖上可以看出，電路產(chǎn)生的波形 都有些失真，尤其三角波失真較嚴(yán)重。三角波產(chǎn)生電路采用的是RC積分電路,

15、它是一個(gè)模擬信號運(yùn)算電路，運(yùn)用的是電容C充放電原理，產(chǎn)生的波形易于失真。7收獲和體會(huì)為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束， 通過對此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以 前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實(shí)踐中理解 了書本上的知識，明白了學(xué)以致用的真諦。增強(qiáng)了如何運(yùn)用所學(xué)的知識去解決實(shí) 際的問題的能力，并提高了提高動(dòng)手能力。在這次課程設(shè)計(jì)中讓我學(xué)會(huì)了如何設(shè) 計(jì)電路，了解了電路是如何產(chǎn)生信號處理信號的。要得出自己所要的波形， 需要不 斷的進(jìn)行調(diào)試，一遍遍的嘗試，最后終于得出了所要的波形。最終也完成了此次課程 設(shè)計(jì)，基本上達(dá)到了老師的要求，雖然過程看起來是艱苦的，但最后的結(jié)果是令 人喜悅

16、的。在此次課程設(shè)計(jì)中遇到了不少難題， 通過查閱資料和同學(xué)間的相互幫 助，都一一解決。在此，要感謝我的指導(dǎo)老師，我的指導(dǎo)老師在百忙之中抽出時(shí)間指導(dǎo)我的課 程設(shè)計(jì)，并耐心輔導(dǎo)。也要謝謝我的同學(xué)們，感謝他們給予我的幫助，我才能得 以完成這次課程設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)也讓我懂得了團(tuán)結(jié)合作的重要性，讓我學(xué)會(huì)了與人協(xié)作，提高工作效率，為以后的工作與學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。8 參考文獻(xiàn)1 康華光主編 . 電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分） M . 第五版.北京：高等教育出 版社， 2006.414-4242 稻葉保主編 .振蕩電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 M . 北京：科學(xué)出版社， 2004.29-993 王立欣，楊春玲主編 . 電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)與課程設(shè)計(jì) M .哈爾濱：哈爾濱工 業(yè)大學(xué)出版社， 2003.98-994 陶桓奇，張小華，彭其勝主編 . 模