電子設(shè)計(jì)大賽綜合測(cè)評(píng)題課程設(shè)計(jì)

1、鄭州輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書題目2015年電子設(shè)計(jì)大賽綜合測(cè)評(píng)試題專業(yè)電信工程13-1學(xué)號(hào)姓名王苗龍主要內(nèi)容、基本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容1 .閱讀相關(guān)科技文獻(xiàn)。2. 學(xué)習(xí)電子制圖軟件的使用。3. 學(xué)會(huì)整理和總結(jié)設(shè)計(jì)文檔報(bào)告。4. 學(xué)習(xí)如何查找器件手冊(cè)及相關(guān)參數(shù)。技術(shù)要求1、使用555時(shí)基電路產(chǎn)生頻率20kHz-50kHz連續(xù)可調(diào)，輸出電壓幅 度為1V的方波I;2、使用數(shù)字電路74LS74,產(chǎn)生頻率5kHz-10kHz連續(xù)可調(diào)，輸出電 壓幅度為1V的方波3、使用數(shù)字電路74LS74,產(chǎn)生頻率5kHz-10kHz連續(xù)可調(diào)，輸出電 壓幅度峰峰值為3V的三角波；4、產(chǎn)生輸出頻率為20kHz-3

2、0kHz連續(xù)可調(diào)，輸出電壓幅度峰峰值為 3V的正弦波I;5、產(chǎn)生輸出頻率為250kHz,輸出電壓幅度峰峰值為 8V的正弦波方波、三角波和正弦波的波形應(yīng)無(wú)明顯失真（使用示波器測(cè)量時(shí)）。頻率誤差不大于5%通帶內(nèi)輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于5%目錄1 設(shè)計(jì)方案 11 設(shè)計(jì)方案 12 多波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì) 22.1 設(shè)計(jì)原理 22.2 整體流程框圖 23 單元電路設(shè)計(jì) 33.1555 多諧振蕩器 33.274ls74 分頻電路 33.3 積分電路 43.4 低通濾波器 53.5 帶通濾波器 64 元件參數(shù)選擇 84.1555 多諧振蕩器 84.274ls74 分頻電路 84.3 積分電路 84.4 低通

3、濾波器 94.5 帶通濾波器 95 結(jié)論 106 個(gè)人總結(jié) 11參考文獻(xiàn) . 12附錄 1 電路原理圖及元件清單 13附錄2PCB及實(shí)物照片 141 設(shè)計(jì)方案1 設(shè)計(jì)方案使用555和外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生20kHz-50kHz的方波作為信號(hào)源， 利用此方波作為基本信號(hào)。將基本信號(hào)通過(guò)電阻分壓可得到電壓幅度1V、20kHz-50kHz連續(xù)可調(diào)的方波I ;將基本信號(hào)通過(guò)74ls74雙D觸發(fā)器進(jìn)行四分頻， 然后電阻分壓得到5kHz-10kHz連續(xù)可調(diào)電壓幅度為1V的方波II ；將方波II通 過(guò)由LM324四通道運(yùn)放構(gòu)成的積分電路，得到 5kHz-10kHz連續(xù)可調(diào)電壓幅度峰 峰值為3V的三角波

4、；將方波I通過(guò)由LM324四通道運(yùn)放構(gòu)成的低通濾波器，得 到20kHz-50kHz連續(xù)可調(diào)電壓幅度峰峰值為 3V的正弦波I ;將基本信號(hào)固定頻 率，然后通過(guò)由LM324四通道運(yùn)放構(gòu)成的帶通濾波器，得到250kHz左右的正弦波,再通過(guò)由LM324四通道運(yùn)放構(gòu)成的低通濾波器，得到250k峰峰值8V的正弦 波 II 。2 多波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)原理555多諧振蕩器：電源接通時(shí)，555的3腳輸出高電平，同時(shí)電源通過(guò)R1R2向電 容c充電，當(dāng)c上的電壓到達(dá)555集成電路6腳的閥值電壓（2/3電源電壓）時(shí)， 555的 7腳把電容里的電放掉， 3腳由高電平變成低電平。 當(dāng)電容的電壓降到 1/3 電源

5、電壓時(shí)，3腳又變?yōu)楦唠娖?，同時(shí)電源再次經(jīng) R1R2向電容充電。這樣周而 復(fù)始，形成振蕩。74IS74四分頻：74LS74是個(gè)雙D觸發(fā)器，把其中的一個(gè)D觸發(fā)器的Q非輸 出端接到D輸入端，時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLOCKS時(shí)鐘輸入信號(hào)，這樣每來(lái)一次CLOCK 脈沖，D觸發(fā)器的狀態(tài)就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次，每?jī)纱?CLOCKS沖就會(huì)使D觸發(fā)器輸出一 個(gè)完整的方波，這就實(shí)現(xiàn)了二分頻。把同一片 74LS74上的兩路D觸發(fā)器串聯(lián)起 來(lái)，其中一個(gè)D觸發(fā)器的輸出作為另一個(gè)D觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)，這就實(shí)現(xiàn)了四分 頻。LM324四通道運(yùn)算放大器，與一定數(shù)目的電阻電容可以構(gòu)成積分電路、 低通 濾波器、帶通濾波器，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的運(yùn)算處理。2

6、.2 整體流程框圖圖 2-1 多波形產(chǎn)生器設(shè)計(jì)框圖如圖 2-1 展示了此多波形產(chǎn)生電路的基本工作流程， 經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證證明此電路的可行性。3 單元電路設(shè)計(jì)3.1555 多諧振蕩器由555定時(shí)器和外接元件 R1、R2和C構(gòu)成的多諧振蕩器，2腳與6腳直 接相連，電路沒(méi)有穩(wěn)態(tài)，只有兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號(hào)，利 用電源通過(guò)R1、R2向電容C充電，使電路產(chǎn)生震蕩，電容在1/3VCC和2/3VCC 之間充電和放電，其仿真波形如圖 3-2 所示，實(shí)測(cè)波形如圖 3-3 所示。圖 3-1555 多諧振蕩器調(diào)節(jié)電位器R2的阻值就可以調(diào)整所產(chǎn)生方波的頻率。外部元件的穩(wěn)定性決 定了多諧振蕩器的穩(wěn)定性， 該電

7、路用少量的元件就可以獲得高精度震蕩頻率和較 強(qiáng)的功率輸出能力， 輸出的方波經(jīng)過(guò)電阻分壓就得到了穩(wěn)定的 20kHz-50kHz 連續(xù) 可調(diào)的方波 I 。所以該電路符合設(shè)計(jì)要求。3.274ls74 分頻電路一個(gè)74IS74集成芯片有兩個(gè)D觸發(fā)器，一個(gè)D觸發(fā)器可以組成一個(gè)二分頻 電路，把其中的一個(gè)D觸發(fā)器的Q非輸出端接到D輸入端，時(shí)鐘信號(hào)輸入端CLOCK 接時(shí)鐘輸入信號(hào)，這樣每來(lái)一次 CLOCK脈沖，D觸發(fā)器的狀態(tài)就會(huì)翻轉(zhuǎn)一次，每 兩次CLOCKS沖就會(huì)使D觸發(fā)器輸出一個(gè)完整的正方波，這就實(shí)現(xiàn)了信號(hào)二分頻。 二分頻電路輸入信號(hào)過(guò)零上升沿每到來(lái)一次二分頻器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次便可得到二 分頻，把兩個(gè)D觸發(fā)器串

8、聯(lián)起來(lái)，就是四分頻電路。于是基本方波信號(hào)就被分頻 成了 5kHz-10kHz的方波，然后經(jīng)過(guò)分壓電路，就得到5kHz-10kHz的方波幅值為 1V 的方波 II 。74IS74 四分頻電路原理如圖 3-4 所示，仿真效果如圖 3-5 所示，實(shí)測(cè)效果如 圖 3-6 所示圖 3-4 分頻電路原理圖 3-5 仿真波形圖 3-6 實(shí)測(cè)波形3.3 積分電路積分電路可以用來(lái)進(jìn)行波形變換 ，由于交流信號(hào)需要和偏置電壓復(fù)合，以 偏置電壓為參考點(diǎn)，交流信號(hào)分別位于正負(fù)半周， 為了使積分輸出的波形更穩(wěn)定， 也為了使電路輸出振幅符合題意要求， 需要設(shè)置參考電壓。 這里設(shè)置的參考電壓 為2.5V，由于只有10V單電源

9、供電，選用5V穩(wěn)壓管，將電壓穩(wěn)到5V,然后進(jìn)行 分壓，從而得到 2.5V 參考電壓，其電路如圖 3-7 所示。積分電路是使輸出信號(hào) 與輸入信號(hào)的時(shí)間積分值成比例的電路，積分電路可將矩形脈沖波轉(zhuǎn)換為三角 波，積分電路原理如圖 3-8 所示。圖 3-7 參考電壓圖 3-8 積分電路電路將5kHz-10kHz連續(xù)可調(diào)的方波進(jìn)行積分，得到 5kHz-10kHz峰峰值3V 的三角波，其仿真波形如圖 3-9 所示，實(shí)測(cè)波形如圖 3-10 所示。3.4 低通濾波器低通濾波器由兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其中同相比例放 大電路具有輸入阻抗高， 輸出阻抗低的特點(diǎn)。 低通濾波器是容許低于截止頻率的 信

10、號(hào)通過(guò)， 但高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波裝置。 低通濾波器的作用 是抑制高頻信號(hào)，通過(guò)低頻信號(hào)。簡(jiǎn)單理解，可認(rèn)為是通低頻、阻高頻。低通濾 波器包括有源低通濾波器和無(wú)源低通濾波器， 無(wú)源低通濾波器通常由電阻、 電容 組成，也有采用電阻、電感和電容組成的。有源低通濾波器一般由電阻、電容及 運(yùn)算放大器構(gòu)成，這里所用的是有緣低通濾波器。低通濾波器電路圖如圖3-10。圖 3-10 低通濾波器任何周期信號(hào)， 都可以看作是不同振幅， 不同相位正弦波的疊加。 而貫穿時(shí) 域與頻域的方法之一，就是傳中說(shuō)的傅里葉分解。此處20kHz-30kHz的方波信號(hào) 就可以用低通濾波器將其中的正弦波分離出來(lái)然后得到電壓

11、峰峰值為 3V、連續(xù) 可調(diào)的20kHz-30kHz正弦波信號(hào)I。仿真信號(hào)如圖3-11，實(shí)測(cè)信號(hào)如圖3-12。3.5 帶通濾波器帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過(guò)同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備， 也就是 通過(guò)某一頻率范圍內(nèi)的頻率分量、 但將其他范圍的頻率分量衰減到極低水平的濾 波器。任何一個(gè)周期信號(hào)都可以展開(kāi)成傅里葉級(jí)數(shù)，也就是若干次正弦波之和， 根據(jù)這一原理，可以用帶通濾波器，將頻帶設(shè)置在 250kHz左右就可以。本電路 將通頻帶設(shè)置在250kHz+20Hz之間，得到諧波分量，然后再用低通濾波器將高于 250kHz的諧波分量濾除，即得到250kHz的正弦波分量。此處帶通濾波器和低通 濾波器共同工作對(duì)

12、50kHz的方波進(jìn)行選擇分離，得到固定頻率250kHz峰峰值8V 的正弦波。電路如圖3-13所示。圖3-13正弦波選頻電路4元件參數(shù)選擇4.1555多諧振蕩器555電路要求R1、R2均應(yīng)大于或等于1k Q,但R1+R2應(yīng)小于3.3M Q。其輸 出信號(hào)的時(shí)間參數(shù)是：T=tw1+tw2tw仁 0.7(R1+R2)*C tw2=0.7R2*Cf=1/T所以調(diào)節(jié)R2的阻值，就可以調(diào)節(jié)所產(chǎn)生方波的頻率，然后調(diào)節(jié)輸出端的滑動(dòng)變阻器就可以調(diào)節(jié)所產(chǎn)生方波的幅值。4.274IS74 分頻器分頻就是用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)一定的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。四分頻就是通過(guò)有分頻作用的電路結(jié)構(gòu)， 在時(shí)鐘每觸發(fā)4個(gè)周

13、期時(shí)，電路輸 出1個(gè)周期信號(hào)。用一個(gè)脈沖時(shí)鐘觸發(fā)一個(gè)計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器每計(jì)4個(gè)數(shù)就清零一 次并輸出1個(gè)脈沖，那么這個(gè)電路就實(shí)現(xiàn)了四分頻功能。Cp接時(shí)鐘，Q=1,D=/Q=OUT,R=S=接地)，就是Q端接高電平，D端接Q非,值位復(fù)位端都接地。這就組成了一個(gè)二分頻D觸發(fā)器，兩個(gè)D觸發(fā)器串聯(lián)，就構(gòu) 成了四分頻器。4.3 積分電路若要進(jìn)行積分電路信號(hào)的積分運(yùn)算，可選用基本積分電路。首先確定時(shí)間常數(shù)T =RC T的大小決定了積分速度的快慢。其次選擇電路元件：當(dāng)時(shí)間常數(shù)T =RC確定后，就可以選擇R和C的值，積 分電路的輸入電阻Ri=R，因此往往希望R的值大一些。最后確定 RP、Rf： RP 為靜態(tài)平衡電阻

14、，用來(lái)補(bǔ)償偏置電流所產(chǎn)生的失調(diào);在積分電容的兩端并聯(lián)一個(gè)電阻 Rf，防止積分漂移所造成的飽和或截止現(xiàn)象。于是得到計(jì)算公式：f=1/(2n RCVo=-(Vs/RC)*t=-(Vs/ T )t4.4 低通濾波器低通濾波器是有兩節(jié)RC濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點(diǎn)就是輸 入阻抗高， 輸出阻抗低。 低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)， 但高于截 止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的濾波裝置。 20kHz-30kHz 的方波經(jīng)過(guò)低通濾波器后可以 將 20kHz-30kHz 正弦波過(guò)濾出來(lái)。低通濾波器的通帶電壓增益：Ao=Avf=1+Rf/R1f=1/(2n RC4.5 帶通濾波器帶通濾波器的帶寬為上限截

15、止頻率與下限截止頻率之差。 在有源帶通濾波器 的中心頻率 fo 處：電壓增益 Ao=B3/2B1品質(zhì)因數(shù)： 3dB帶寬 B=1/ (n *R3*C)也可根據(jù)設(shè)計(jì)確定的Q fo、Ao值，求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。R1=Q/( 2n foAoC)R2=Q/( 2Q2-Ao)*2 n foC) R3=2Q/( 2n foC)。上式中，C取O.OlUf。帶通濾波器亦可用于一般的選頻放大。5 結(jié)論1. 學(xué)生電源提供的電壓對(duì)波形的影響： ?實(shí)物測(cè)試時(shí)由于電壓有毛刺對(duì)波形穩(wěn)定產(chǎn)生影響，為了上波形測(cè)試時(shí)穩(wěn)定， 采用了三節(jié) 1865O 電池供電使輸出波形較穩(wěn)定， 并且工作在電源提供的電壓范圍 之內(nèi)，否則會(huì)出現(xiàn)失真。 并且仿真電路測(cè)試效果與實(shí)物測(cè)試相差甚大， 所以電阻 采用電位器測(cè)試，以便于調(diào)試。2. 單電源和雙電源的區(qū)別及其對(duì)電路的影響： ?運(yùn)放采用單電源供電時(shí)， 積分電路不能工作， 所以采用參考電壓， 以保證波 形穩(wěn)定，且振幅最