方波的產(chǎn)生及波形變換

1、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)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： 方波的產(chǎn)生及波形變換 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)老師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2014年1月12日 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)評(píng)分表課程設(shè)計(jì)題目： 方波的產(chǎn)生及波形變換 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 項(xiàng)目評(píng)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： 2014 年 1 月 日目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書。4第一章信號(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)。.。51.1設(shè)計(jì)思路。5第二章波形電路。62.1方波發(fā)生電路的工作原理。62.2三角波波發(fā)生電

2、路的工作原理，82.3正弦波波發(fā)生電路的工作原理，82.4波形產(chǎn)生總體結(jié)構(gòu)圖，9第三章仿真.。113.1仿真圖，113.2仿真結(jié)果分析，12第四章收獲和體會(huì)。15第五章參考文獻(xiàn).。16電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱 方波產(chǎn)生和波形變換電路一、設(shè)計(jì)目的1.了解集成運(yùn)放電路的組成和使用；2.了解集成運(yùn)放幾種典型應(yīng)用電路的工作原理；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。二、設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1.利用多個(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；2.對(duì)產(chǎn)生的方波信號(hào)的幅度和頻率不做統(tǒng)一規(guī)定，請(qǐng)自行設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的方波信號(hào)經(jīng)積分電路得到三角波，再對(duì)三角波進(jìn)行有源低通濾波，最終得到正弦

3、波；3.電路工作電源為±12V；4.畫出電路圖，寫出完整的報(bào)告；5.用面包板搭出電路，并調(diào)試之。三、總體方案參考 四、設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容要求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。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(duì)各部分電路的工作原理應(yīng)作出說明。3.畫出整個(gè)設(shè)計(jì)電路的原理電路圖，并簡要地說明電路的工作原理。4.評(píng)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。五、課程設(shè)計(jì)說明書的格式1評(píng)分表2封面3目錄4正文（1）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書；（2）總

4、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。5課程設(shè)計(jì)中的收獲和體會(huì)6參考文獻(xiàn)第一章信號(hào)發(fā)生器的總體設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)思路信號(hào)發(fā)生器一般由一個(gè)電路產(chǎn)生方波或者正弦波，通過波形變換得到其他幾種波形。考慮到RC震蕩產(chǎn)生正弦波的頻率調(diào)節(jié)不方便且可調(diào)頻率范圍較窄，本設(shè)計(jì)采用先產(chǎn)生方波，后變換得到其他幾種波形的設(shè)計(jì)思路。采用555組成的多諧振蕩器可以在接通電源后自行產(chǎn)生矩形波，再通過積分電路將矩形波轉(zhuǎn)變?yōu)槿遣?，再?jīng)積分網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)檎也āＦ浣Y(jié)構(gòu)框圖如下圖1-1所示多諧

5、振蕩器方波三角波正弦波積分器低通濾波圖1-1波形變換結(jié)構(gòu)框圖而要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要Multisim軟件來協(xié)助繪圖，Multisim是美國國家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真工具，適用于板級(jí)的模擬/數(shù)字電路板的設(shè)計(jì)工作。它包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力。Multisim提煉了SPICE仿真的復(fù)雜內(nèi)容，通過Multisim和虛擬儀器技術(shù)，可以完成從理論到原理圖捕獲與仿真再到原型設(shè)計(jì)和測試這樣一個(gè)完整的綜合設(shè)計(jì)流程，本次設(shè)計(jì)使用Multisim進(jìn)行仿真觀看波形。第二章波形電路2.1方波發(fā)生電路的工作原理555定時(shí)器是一種數(shù)字電路與模

6、擬電路相結(jié)合的中規(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(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與555定時(shí)器是一種數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合的中規(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(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等，因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。 555定時(shí)器產(chǎn)品有TTL型和CMOS型兩類。TTL型產(chǎn)品型號(hào)的最后三位都是555，CMOS型產(chǎn)品的最后四位都是7555，它們的邏輯功能和外部引線排列完全相同。它由三個(gè)阻值為5k的電阻組成的分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、基本RS觸發(fā)器、放電晶體管T、與非門和反相器

7、組成。其結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示圖2-1 555定時(shí)器結(jié)構(gòu)圖分壓器為兩個(gè)電壓比較器C1、C2提供參考電壓。如5端懸空（也可對(duì)地接上0.01uF左右的濾波電容），則比較器C1的參考電壓為，加在同相端，C2的參考電壓為，加在反相端。u11是比較器C1的信號(hào)輸入端，稱為閾值輸入端；u12是比較器C2的信號(hào)輸入端，稱為觸發(fā)輸入端。RD 是直接復(fù)位輸入端。當(dāng)RD 為低電平時(shí)，基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管T導(dǎo)通，輸出端u0為低電平。u11和u12分別為6端和2端的輸入電壓。當(dāng)u11>，u12> 時(shí)，C1輸出為低電平，C2輸出為高電平，基本RS觸發(fā)器被置0，晶體管T導(dǎo)通，輸出端u0為低電平。當(dāng)u11

8、<，u12< 時(shí)，C1輸出為高電平，C2輸出為低電平，基本RS觸發(fā)器被置1，晶體管T截止，輸出端u0為高電平。當(dāng)u11<2/3Ucc，u12>1/3Ucc 時(shí)，基本RS觸發(fā)器狀態(tài)不變，電路亦保持原狀態(tài)不變。接通電源后，電容C2被充電，當(dāng)V c上升到時(shí)，使V0為低電平放電三極管T導(dǎo)通，此時(shí)電容C2通過R3.R7.T放電，V c下降。當(dāng)V c下降到時(shí)，V0翻轉(zhuǎn)為高電平。放電結(jié)束時(shí)，T截止，Vcc通過R2R3RPC2向電容C2充電，當(dāng)V c從上升到時(shí)，電路又翻轉(zhuǎn)為低電平。如此周而復(fù)始，在輸出端得到一個(gè)周期性的矩形波。其多諧振蕩電路如圖2-2所示 圖2-2555定時(shí)器組成的多諧

9、振蕩器 電容C2放電所需的時(shí)間為：Tpl=(R3+RP)C22 電容C2充電所需的時(shí)間為：Tph=(R3+R2+RP)C22 占空比= 振蕩頻率f= 波形圖大致如圖2-3所示圖 圖2-3多諧振蕩器波形 2.2積分發(fā)生電路的工作原理 積分電路主要用于波形變換、放大電路失調(diào)電壓的消除及反饋控制中的積分補(bǔ)償?shù)葓龊?。電路的時(shí)間常數(shù)R*C，構(gòu)成積分電路的條件是電路的時(shí)間常數(shù)必須要大于或等于10倍于輸入波形的寬度。結(jié)構(gòu)圖如圖2-4所示圖2-4積分電路結(jié)構(gòu)圖Uo=Uc=(1/C)icdt,因Ui=UR+Uo,當(dāng)t=to時(shí)，Uc=Oo.隨后C充電，由于RCTk，充電很慢，所以認(rèn)為Ui=UR=Ric,即ic=U

10、i/R,故Uo=(1/c)icdt=(1/RC)Uidt這就是輸出Uo正比于輸入U(xiǎn)i的積分（Uidt），RC電路的積分條件：RCTk當(dāng)輸入信號(hào)為方波時(shí)，積分電路的輸出為三角波。2.3有源低通濾波器所謂的低通濾波器就是允許低頻信號(hào)通過，而將高頻信號(hào)衰減的電路，RC低通濾波器電路的組成如圖2-5所示。圖2-5有源低通濾波三角波可以分解成由無數(shù)不同頻率的正弦波組成的復(fù)合波。當(dāng)輸入信號(hào)為三角波時(shí)，用低通濾波器將其高頻成分濾掉后，波形將不再有尖頂部分，波形變得圓滑，從而變成類正弦波。圖中的相位移動(dòng)是由于RC網(wǎng)絡(luò)成感性引起的。電壓放大倍數(shù)令 ，則 R C低通電路的頻響特性 的模和幅角為RC低通電路的幅頻特

11、性 RC低通電路的相頻特性2.4波形產(chǎn)生總體結(jié)構(gòu)圖波形通過示波器顯示，波形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖如圖2-6所示圖2-6波形產(chǎn)生結(jié)構(gòu)圖第三章仿真3.1波形圖3-1-1將周期調(diào)整為10ms，幅值為10V，方波的產(chǎn)生仿真圖如圖3-1所示圖3-1方波的仿真圖3-1-2經(jīng)積分電路變換的三角波，周期為20ms,幅值為10V，其仿真圖如圖3-2所示圖3-2三角波的仿真圖3-1-3經(jīng)有源低通濾波電路的正弦波調(diào)節(jié)周期為5ms，幅值為5V，仿真圖如圖3-3所示圖3-3正弦波的仿真圖3.2仿真結(jié)果分析測量的結(jié)果如下：仿真波形周期峰峰值方波10.0ms10.0V三角波20.0ms10.0V正弦波5.0ms5.0V計(jì)算的結(jié)果如下：

12、仿真波形周期峰峰值方波10.5ms9.8V三角波20.3ms10.2 V正弦波5.6ms4.8V誤差分析 1.測量時(shí)直流電源引起的誤差 在MULTISIM仿真過程中，直流電源VCC接的是5V，而實(shí)際中的電源并不是準(zhǔn)確的+5v。2.元器件誤差 在選擇元器件時(shí)，沒有適宜的阻值元器件電位器，用近似阻值的的電位器代替，從理論上講，這樣的調(diào)整會(huì)加大頻率的可調(diào)范圍。 在MULTISIM上仿真時(shí)，各種元器件的值都是按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算的，而在實(shí)際的測量中，各種元器件的值都與標(biāo)準(zhǔn)值有出入。3.焊接時(shí)導(dǎo)線引起的誤差 在電路焊接的過程中，焊點(diǎn)、導(dǎo)線等也存在著不可避免的誤差4.測量是各種儀器儀表引起的誤差5.人為誤差缺陷：

13、在實(shí)驗(yàn)測量波形圖發(fā)現(xiàn)測得的正弦波很不明顯，波形頻率的可調(diào)范圍小，誤差較大。正弦波不明顯的可能原因：因?yàn)榇穗娐分械恼也ㄊ菑娜遣ń?jīng)低通濾波器而來，由傅里葉變換將三角波轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷骷罢也ǜ鞔沃C波的形式經(jīng)過R5.C6組成的低通濾波器輸出來，可能含有多次諧波，使所得的正弦波失真，所以要改善正弦波，可以考慮改電容的大小使其他諧波的影響降低。波形頻率的可調(diào)范圍小的原因:在本實(shí)驗(yàn)的電路圖中電位器RP的最大值是20K，而R2有62K所以波形的頻率為f= f=由該式子可知RP對(duì)整個(gè)電路的頻率影響不大，所以要想擴(kuò)大頻率范圍可以嘗試加大RP的阻值。誤差較大的原因：根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)誤差分析最后輸出的波形應(yīng)是每階段誤差的

14、疊加，要減少誤差，應(yīng)該采用比較精確的儀器，而且本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)也存在不妥之處，用三角波積分轉(zhuǎn)變?yōu)檎也ㄔ诶硐霠顟B(tài)下也是一個(gè)近似值，而在實(shí)驗(yàn)過程中存在很多的干擾及試驗(yàn)中的累積性誤差，是得到的波形存在較大的失真。還有很多影響的因素在實(shí)驗(yàn)之前沒有考慮到。第四章收獲和體會(huì)經(jīng)過這些天的課程設(shè)計(jì)我明白課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)和綜合，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。這次課程設(shè)計(jì)我了解到自己原來知識(shí)還比較欠缺。要學(xué)習(xí)的東西還很多，學(xué)習(xí)是一個(gè)長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。在設(shè)計(jì)過程中，我通過查閱大量有關(guān)資料，與同學(xué)交流經(jīng)驗(yàn)和自學(xué)，并向老師請(qǐng)教等方式，吸取

15、了很多精華，陶冶了自己的情操。雖然設(shè)計(jì)過程中遇到了很多的問題，比如設(shè)計(jì)的電路圖不出波形，或者波形不規(guī)則，沒有適合的阻值等等，但是在身邊的同學(xué)幫助下都一一解決了，當(dāng)自己明白了之后有一種很自豪的感覺和無比的喜悅。設(shè)計(jì)是對(duì)學(xué)習(xí)知識(shí)的運(yùn)用和個(gè)人自己的能力的全面體現(xiàn)，體現(xiàn)了一個(gè)人學(xué)以致用的能力。只有在真正的運(yùn)用中才能更好的掌握知識(shí)，這樣的學(xué)習(xí)才會(huì)有效率，才能長久的記憶。此次設(shè)計(jì)培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心，相信會(huì)對(duì)今后的學(xué)習(xí)工作生活有非常重要的影響。而且大大提高了動(dòng)手的能力，使我充分體會(huì)到了在創(chuàng)造過程中探索的艱難和成功的 喜悅。第五章參考文獻(xiàn)1 童詩白、華成英清華大學(xué)電子學(xué)教研組編模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)，高等教育出版社，2000 2 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，2003.98-993 李萬臣主編. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)與課程設(shè)計(jì).哈爾濱工程大學(xué)出版社，20014陶桓奇，張小華，彭其勝主編.模擬電子技術(shù)M. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，2007.170-2305 何寶祥，朱正偉，劉訓(xùn)飛，儲(chǔ)開斌主編.模擬電路及其應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2008.104-