波形發(fā)生器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）熟悉555型集成時(shí)基電路結(jié)構(gòu)、工作原理及其特點(diǎn)。（2）掌握555型集成時(shí)基電路的基本應(yīng)用。（3）掌握由555集成型時(shí)基電路組成的占空比可調(diào)的方波信號(hào)發(fā)生器。二、實(shí)驗(yàn)基本原理555電路的工作原理 555集成電路開(kāi)始是作定時(shí)器應(yīng)用的，所以叫做555定時(shí)器或555時(shí)基電路。但后來(lái)經(jīng)過(guò)開(kāi)發(fā)，它除了作定時(shí)延時(shí)控制外，還可用于調(diào)光、調(diào)溫、調(diào)壓、調(diào)速等多種控制及計(jì)量檢測(cè)。此外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調(diào)制電路，用于交流信號(hào)源、電源變換、頻率變換、脈沖調(diào)制等。由于它工作可靠、使用方便、價(jià)格低廉，目前被廣泛用于各種電子產(chǎn)品中，555集成電路內(nèi)部有幾十個(gè)元器件，有分壓器、比較器、基本

2、r-s觸發(fā)器、放電管以及緩沖器等，電路比較復(fù)雜，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。555芯片管腳介紹 555集成電路是8腳封裝，雙列直插型，如圖2(a)所示，按輸入輸出的排列可看成如圖2(b)所示。其中6腳稱(chēng)閾值端(th)，是上比較器的輸入；2腳稱(chēng)觸發(fā)端(tr)，是下比較器的輸入；3腳是輸出端(vo)，它有o和1兩種狀態(tài)，由輸入端所加的電平?jīng)Q定；7腳是放電端(dis)，它是內(nèi)部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復(fù)位端(mr)，加上低電平時(shí)可使輸出為低電平；5腳是控制電壓端(vc),可用它改變上下觸發(fā)電平值；8腳是電源端，1腳是地端。 用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如

3、圖所示。接通電源后，電容c2被充電，當(dāng)電容c2上端電壓vc升到2vcc/3時(shí)使555第3腳v0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(guò)r1放電，vc下降。當(dāng)vc下降到vcc/3時(shí)，v0翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器c2放電所需的時(shí)間為 ( 1-1) 當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，t截止，vcc將通過(guò)r1，r2，r3向電容器c2充電，vc由vcc/3上升到2vcc/3所需的時(shí)間為 (1-2) 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，其中的震蕩頻率為： f=1/（tpl+tph）=1.43/(2r1+r2+r3)c2

4、(1-3) 三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目標(biāo) 波形發(fā)生器是建立在模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)上的一個(gè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，它是借助綜合測(cè)試板上的555芯片和一片通用四運(yùn)放324芯片，以及各種電阻、電感、電容等基本元器件，從而設(shè)計(jì)制作一個(gè)頻率可變的同時(shí)輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波的波形產(chǎn)生電路，其借助于計(jì)算機(jī)軟件multisim仿真以及電路板硬件調(diào)試輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：1、同時(shí)四通道輸出、每通道輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波中的一種波形，每通道輸出的負(fù)載電阻均為600歐姆。2、四種波形的頻率關(guān)系為1:1:1:3（3次諧波）；脈沖波、鋸齒波、正弦波輸出頻率范圍為8khz10khz，輸出電壓幅度峰峰值為1v；正弦波

5、輸出頻率范圍為24khz30khz，輸出電壓幅度峰峰值為9v。脈沖波、鋸齒波和正弦波輸出波形應(yīng)無(wú)明顯失真，頻率誤差不大于10%；通帶內(nèi)輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于5%。脈沖波占空比可調(diào)整。 電源只能選用+10v單電源，由穩(wěn)壓電源供給，不得使用額外電源。4、要求預(yù)留脈沖波、鋸齒波、正弦波、正弦波和電源的測(cè)試端子。5、每通道輸出的負(fù)載電阻600歐姆應(yīng)標(biāo)清楚、至于明顯位置，便于檢查。四 電路分析內(nèi)容和方案比較 方案一： 首先我們想到的設(shè)計(jì)方案的思路是首先由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，即利用555與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器，來(lái)產(chǎn)生方波。其電路模塊如圖1所示，然后由積分電路將方波先轉(zhuǎn)化為三角波，

6、rc積分電路是一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號(hào)運(yùn)算電路。其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。 圖1 由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器輸出的方波輸出后經(jīng)rc積分電路，從而輸出三角波。其基本原理是電容的充放電原理，采用rc低通濾波的方法將三角波變換為正弦波。得到三角波以后，最后用低通濾波器將方波轉(zhuǎn)化為正弦波，經(jīng)過(guò)放大器后即可得到我們想要幅值的波形，從而得到方波和正弦波，得到方波和正弦波的完整電路見(jiàn)圖2所示。 圖2 得到兩個(gè)波形輸出后，再?gòu)姆讲ㄝ敵龆诉B出一根線作為輸入，接到圖3所示的電路模塊的輸入端，利用二極管d1連接有電阻r1時(shí)的較慢的充電和d2的快

7、速放電來(lái)實(shí)現(xiàn)鋸齒波輸出的實(shí)現(xiàn)。 圖3得到鋸齒波后，再利用如下圖4的電路模塊，即利用rc積分電路和lc濾波電路的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)三次諧波的輸出實(shí)現(xiàn)。 圖4 剛開(kāi)始設(shè)計(jì)之前之所以采用此方案，是因?yàn)樵摲桨刚{(diào)試容易，且本方案的電路結(jié)構(gòu)、思路簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)性能穩(wěn)定，且成本低廉、調(diào)整方便，關(guān)于輸出正弦波波形的變形，可以通過(guò)可變電阻的調(diào)節(jié)來(lái)調(diào)整。但當(dāng)我們把所有電路模塊連接到一起時(shí)，由于我們?cè)O(shè)計(jì)的各模塊間并沒(méi)有什么中間隔離回路模塊，即方波和正弦波，還有鋸齒波和三次諧波各個(gè)模塊是前后級(jí)相互有影響的，此時(shí)由于我們?cè)谳敵鲣忼X波和三次諧波時(shí)還要先用方波輸出端作為我們的輸入，從而導(dǎo)致各級(jí)電路之間的相互影響，從而使三次諧波出現(xiàn)衰

8、減振蕩等比較嚴(yán)重的失真的現(xiàn)象，為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們也采用了射級(jí)跟隨器等電路模塊來(lái)試著解決該問(wèn)題，但這些方法都不是能很好的處理波形失真狀況，而且其他的波形質(zhì)量也不太理想，從而為了更好的使我們的波形輸出符合要求，我們采用了方案2來(lái)能較好的符合設(shè)計(jì)要求。 由于方案一無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的所有要求，所以我們采用方案二，即方案二就是我們真正電路完全符合電路設(shè)計(jì)要求的，方案二的具體設(shè)計(jì)方法，原理，內(nèi)容見(jiàn)如下：方案二：電路設(shè)計(jì)： 方波發(fā)生電路部分： 由于方案一種的方波輸出比較理想，所以我們?cè)诟倪M(jìn)的方案中，方波電路的設(shè)計(jì)思路基本不變，仍然是由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器產(chǎn)生方波，即利用555與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器

9、，來(lái)產(chǎn)生方波。其電路模塊如圖5所示，其基本原理與方案一中相同，在我們?cè)O(shè)計(jì)模塊中555定時(shí)器通過(guò)ra、rb、c2設(shè)定輸出信號(hào)的頻率和脈寬。（ra為rst和dis之間的電阻值，rb為dis和thr之間的電阻值，c2為thr到地之間的電容值），其中的參數(shù)為高低電平的時(shí)間分別為 0.693（ra+rb）c和 0.693(rb)c，脈沖周期為0.693(ra+2rb)c，頻率為 1.44/(ra+2rb)c)。 并且此時(shí)我們我們通過(guò)加入滑動(dòng)變阻器來(lái)通過(guò)改變兩個(gè)滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)改變波形的頻率和方波的占空比，在方波輸出中，其要求為輸出波形的幅值為1v，并且負(fù)載為600歐姆，由于在我們所連接方波模塊輸出端方

10、波電壓值為10v，所以在圖5所示模塊555的輸出端out連接電阻5400歐姆來(lái)進(jìn)行分壓，即讓負(fù)載輸出方波波形電壓值正好為10v的十分之一，也就是1v，從而讓達(dá)到其設(shè)計(jì)要求，即： 圖5實(shí)驗(yàn)中我們得到的方波的波形圖如下圖所示： 實(shí)驗(yàn)方波波形圖6鋸齒波發(fā)生電路部分： 如圖所示的積分電路正向積分的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于反向積分的時(shí)間常數(shù)，或者反向積分的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于正向積分的時(shí)間常數(shù)，那么輸出電壓uo上升和下降的斜率很多，就可以獲得鋸齒波。利用二極管的單向?qū)щ娦允狗e分電路兩個(gè)方向的積分通路不同，就可以獲得鋸齒波發(fā)生電路，如下圖所示，圖中r3的阻值遠(yuǎn)小于rw 鋸齒波發(fā)生電路及其波形原理圖7 根據(jù)三角波發(fā)生電路振

11、蕩周期的計(jì)算方法，可得出鋸齒波下降時(shí)間和上升時(shí)間分別為： =- =-(+)振蕩周期：=因?yàn)榈淖柚颠h(yuǎn)小于,所以可認(rèn)為tt2根據(jù)t1和t的表達(dá)式，可得到的占空比為調(diào)整r1和r2的阻值可以改變鋸齒波的幅值；調(diào)整r1，r2和的阻值以及的容量，可以改變振蕩周期；調(diào)整電位器滑動(dòng)端的位置，可以改變的占空比，以及鋸齒波上升和下降的斜率產(chǎn)生方波后，我們也是利用同方案一一樣的方法來(lái)用方波輸出作為輸入，在原理圖的基礎(chǔ)上加以適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，利用如圖6所示模塊來(lái)產(chǎn)生鋸齒波，該模塊的原理為利用二極管的單向?qū)щ娦?，我們將通過(guò)導(dǎo)線分成兩個(gè)支路將連接運(yùn)放的輸入端，每個(gè)支路連接一個(gè)二極管1n4148，使得積分電路的充放電回路分開(kāi)，從

12、而對(duì)于d1二極管所在支路來(lái)說(shuō)，由于該支路d1連接有電阻，從而在充電過(guò)程，由于電阻的作用，從而輸入端通過(guò)運(yùn)放后的輸出電壓是一個(gè)穩(wěn)步上升的階段，從而該階段產(chǎn)生的波形是一段具有一定斜率的傾斜直線，當(dāng)電壓幅值達(dá)到峰值后，由于存在另一條支路連接有d2二極管，該支路由于只存在二極管d2，所以在放電階段是一個(gè)非?？焖傧陆档倪^(guò)程，從而產(chǎn)生的波形接近一條豎直的線，從而通過(guò)該電路模塊即可以將方波波形轉(zhuǎn)化成鋸齒波波形輸出了，由于我們?yōu)榱藴p小前后級(jí)的影響，所以在d1與d2并聯(lián)的前端又加了一個(gè)阻值為4.7k的電阻，從而可以減少鋸齒波的失真，而且我們通過(guò)該種方式電路連接可以使輸出的鋸齒波的上升斜率與下降差別較大，這樣就可

13、以使輸出的鋸齒波更完美，即我們可以通過(guò)12k電阻與4.7k電阻的比值來(lái)做到使輸出鋸齒波的上升斜率與下降差別較大，其下降斜率k下降與上升斜率k上升的比值為：,從公式中可以求得下降斜率與上升斜率差別為3.55 ，利用原理圖中的公式可以求得上升時(shí)間約為4us，下降時(shí)間約為1us,可以看出通過(guò)這樣的連接方式即可以使鋸齒波形狀的波形輸出。 實(shí)驗(yàn)實(shí)際的鋸齒波電路圖8 實(shí)驗(yàn)鋸齒波波形圖9正弦波發(fā)生電路部分： 本實(shí)驗(yàn)采用的是rc二階低通濾波電路，rc并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)是其中的重要的組成部分。如下圖所示的rc濾波電路中，它即可以通過(guò)直流信號(hào)，又可以通過(guò)交流信號(hào)它和rc串聯(lián)電路有著同樣的轉(zhuǎn)折頻率fo=1/2r1c1,當(dāng)

14、輸入信號(hào)頻率小于f0時(shí)，信號(hào)相對(duì)電路為直流，電路的總阻抗為r1；當(dāng)輸入信號(hào)的頻率大于f0時(shí)，c1的容抗相對(duì)很小，總阻抗為電阻阻值并上電容容抗，當(dāng)頻率高到一定程度時(shí)總的阻抗為零。 濾波原理圖10如下圖所示的電路圖中，其中l(wèi)m324運(yùn)放的作用是作為電壓比較器來(lái)使用的，使得輸出的信號(hào)更加接近于占空比為50%的脈沖波，其工作原理為：因?yàn)榻尤朐搇m324運(yùn)放負(fù)極輸入端的波形是一個(gè)幅值為10v的接近鋸齒波形狀的波形，因?yàn)殇忼X波在上升階段是成一條斜線，而我們從lm324運(yùn)放正極輸入端輸入的是一個(gè)幅值為5v的直流電平，所以對(duì)于從負(fù)極輸入的10v鋸齒波來(lái)說(shuō)，在它上升階段的前半段即上升階段二分之一處之前的電壓幅值

15、是低于5v的，此時(shí)正好正極電壓大于負(fù)極電壓，從而通過(guò)lm324運(yùn)放后即可將波形電壓輸出，輸出的波形即是脈沖波的高電平，而在鋸齒波上升的后半段，即后二分之一部分鋸齒波幅值大于5v，所以此時(shí)正極電壓小于負(fù)極電壓，從而反映在輸出波形即是低電平，因?yàn)檩敵龅母叩碗娖礁鳛槎种?，所以通過(guò)這個(gè)比較器后的波形即是占空比接近50%的脈沖波，而且通過(guò)我們實(shí)際觀察輸出波形其也是接近占空比為50%的脈沖波，只不過(guò)其由于一定失真原因不是特別完美的脈沖波，因?yàn)槲覀冊(cè)诒容^器輸出后市接近占空比為50%的脈沖波，所以這樣通過(guò)后面的rc濾波器后即可以得到想要的含有基波成分的正弦波。如下圖所示的濾波電路中l(wèi)m324運(yùn)放作為電壓比

16、較器來(lái)使用 圖11從比較器后得到占空比為50%的脈沖波后，因?yàn)橹挥姓伎毡冉咏?0%的脈沖波中含有的偶次諧波分量是最少的，所以可以將基波成分的正弦波很好的濾出來(lái)，所以之前我們要先得到占空比接近50%的脈沖波。我們讓其經(jīng)過(guò)后面的兩階濾波器來(lái)得到想要的正弦波，其中濾波器由r1和c2組成的第一級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò)后得到的是含有諧波分量的正弦波，不過(guò)一級(jí)網(wǎng)絡(luò)并沒(méi)有完全濾出比較標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，所以再經(jīng)過(guò)由r2和c3組成的第二級(jí)濾波網(wǎng)絡(luò)后就得到所需要的正弦波 ，實(shí)際設(shè)計(jì)中所用的電路圖如下圖所示： 實(shí)驗(yàn)電路圖12 因?yàn)槲覀円獮V出的是10khz的正弦波，根據(jù)實(shí)驗(yàn)電路中的數(shù)據(jù)，我們可以用公式來(lái)算出我們所要濾出的正弦波的頻率，

17、由于圖中r1=r2，c2=c3, 所以在計(jì)算式僅用r1和c2就可以了，如圖中所示，帶入r1和c2的值后，算得頻率這與我們所設(shè)計(jì)的正弦波為10khz是吻合的，符合我們?cè)O(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。最后得到的實(shí)驗(yàn)正弦波實(shí)際波形如下圖所示： 圖13三次諧波分量： 同基波分量的正弦波得到一樣，我們也通過(guò)濾波的方式來(lái)得到正弦波三次諧波分量，我們用從lm324放大器后輸出的鋸齒波來(lái)作為相應(yīng)的輸入，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的濾波器來(lái)得到三次諧波的正弦分量，其原理電路圖見(jiàn)下圖，我們通過(guò)lc與rc電路的組合使用來(lái)將其中的三次諧波濾出來(lái)，其實(shí)際的電路如下圖所示： 實(shí)驗(yàn)的原理圖14 本設(shè)計(jì)當(dāng)中我們主要運(yùn)用到的是濾波的方法，在鋸齒波電壓為固定頻

18、率或頻率變化范圍很小的情況下，是可以考慮采用rc和lc低通濾波的方法將鋸齒波變換為正弦波，根據(jù)原理可知，低通濾波器的通帶截止頻率應(yīng)大于鋸齒波的基波頻率并且一定要小于鋸齒波的五次諧波的頻率，我們就是根據(jù)這個(gè)原理來(lái)對(duì)三次諧波分量進(jìn)行濾出的。對(duì)于如圖所示的電路，采用了lc和rc混合濾波的方式。其理論計(jì)算過(guò)程如下所示：計(jì)算過(guò)程：第一級(jí)lc并聯(lián)諧振回路：36khz同樣的，對(duì)于第二級(jí)濾波電路：34.5khz對(duì)于rc并聯(lián)諧振回路來(lái)說(shuō)：其頻率為33.2khz對(duì)于最后一級(jí)rc并聯(lián)諧振回路來(lái)說(shuō)：29.2khz由于輸入的信號(hào)是10khz，通過(guò)最后一級(jí)的濾波器之后，輸出的正弦波的頻率為29.2khz，頻率約為輸入信號(hào)

19、的三倍，符合設(shè)計(jì)的要求。得到的三次諧波圖如下圖所示： 五、設(shè)計(jì)結(jié)果和概要經(jīng)過(guò)我們的設(shè)計(jì)，我們所設(shè)計(jì)出的波形如下圖所示： 對(duì)于如圖所示的波形中，方波是由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器所產(chǎn)生的，它的輸出電壓的幅值為1v，頻率為10khz，符合設(shè)計(jì)的要求。產(chǎn)生了方波之后，方波經(jīng)過(guò)了一個(gè)由二極管，電阻，電容，以及324運(yùn)放等組成的積分電路產(chǎn)生了幅值為1v，頻率仍為10khz的鋸齒波，符合設(shè)計(jì)要求，然后從555輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)電壓比較器后輸出方波，方波經(jīng)過(guò)低通rc濾波器產(chǎn)生了幅值為1v,頻率還是為10khz的正弦波，同樣符合要求。最后通過(guò)一個(gè)由lc和rc組成的濾波電路產(chǎn)生了幅值為6v,頻率為29.2khz的三次諧波，基本符合設(shè)計(jì)的要求六、課程設(shè)計(jì)感想 首先感謝馮老師對(duì)我們的諄諄教導(dǎo)和耐心的講解，本次課程設(shè)計(jì)我們選取的是13年電子設(shè)計(jì)大賽的綜合測(cè)評(píng)題，555電路的綜合應(yīng)用，它是基于模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)的，它要求我們有著比較高的電路分析的能力和扎實(shí)的焊板技術(shù)以及電路調(diào)試能力，體現(xiàn)的是一