2015年電子設(shè)計大賽綜合測評題課程設(shè)計

1、某某輕工業(yè)學(xué)院電子技術(shù)課程設(shè)計題 目：2015年電賽測評試題姓 名：王苗龍專業(yè)班級：電信13-01學(xué) 號： 541301030134院系：電子信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師：曹衛(wèi)鋒 謝澤會完成時間：2015年10月29日某某輕工業(yè)學(xué)院課程設(shè)計任務(wù)書題目2015年電子設(shè)計大賽綜合測評試題專業(yè) 電信工程13-1學(xué)號 541301030134 某某 王苗龍主要內(nèi)容、根本要求、主要參考資料等：主要內(nèi)容1. 閱讀相關(guān)科技文獻。2學(xué)習(xí)電子制圖軟件的使用。3學(xué)會整理和總結(jié)設(shè)計文檔報告。4學(xué)習(xí)如何查找器件手冊與相關(guān)參數(shù)。技術(shù)要求1、 使用555時基電路產(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、;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H;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-30kHz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H; 方波、三角波和正弦波的 波形應(yīng)無明顯失真使用示波器測量時 。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%。主要參考資料1何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計，某某大學(xué)，2010年8月2.姚福安，電子電路設(shè)計與實踐，某某科學(xué)技

3、術(shù)，2001年10月3 .王澄非，電路與數(shù)字邏輯設(shè)計實踐，東南大學(xué)，1999年10月4.李銀華，電子線路設(shè)計指導(dǎo)，航空航天大學(xué)，2005年6月5康華光，電子技術(shù)根底，高教，2006年1月完成期限： 2015 年10月30日指導(dǎo)教師簽章：專業(yè)負責(zé)人簽章：2015年10月26日2015年電子設(shè)計大賽綜合測評試題摘要模擬電路中，多種波形產(chǎn)生電路屬于信號的運算與處理電路，它主要由信號產(chǎn)生電路、信號運算電路、信號處理電路構(gòu)成。555定時器是一種模擬和數(shù)字功能相結(jié)合 的中規(guī)模集成器件，可通過一定數(shù)目的電容、電阻構(gòu)成多諧振蕩器。74IS74是一種上升沿雙D觸發(fā)器芯片，可以對信號分頻處理。LM324為四通道運

4、放集成芯片，可以 構(gòu)成信號根本運算電路。本課程設(shè)計的根本目標：使用555多諧振蕩器產(chǎn)生方波作為 信號源，由74IS74對信號進展四分頻處理，由LM324四運放芯片對信號分別獨立進 展積分運算、低通濾波運算，帶通濾波運算從而得到所需波形。通過理論計算分析， 最終實現(xiàn)規(guī)定的電路要求，并做成實物，經(jīng)過反復(fù)檢測，符合設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：波形產(chǎn)生分頻信號運算信號處理1設(shè)計方案12223錯誤!未定義書簽。1設(shè)計方案2多波形產(chǎn)生電路設(shè)計2.1設(shè)計原理2.2整體流程框圖 3單元電路設(shè)計555多諧振蕩器3.2 74IS74分頻電路 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 84.1 5

5、55多諧振蕩器 84.2 74IS74分頻電路 85結(jié)論 106個人總結(jié) 11參考文獻 12附錄1電路原理圖與元件清單 13附錄2 PCB與實物照片 141設(shè)計方案1設(shè)計方案使用555和外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器，產(chǎn)生20kHz-50kHz的方波作為信號源， 利用此方波作為根本信號。將根本信號通過電阻分壓可得到電壓幅度IV、20kHz-50kHz連續(xù)可調(diào)的方波I ;將根本信號通過74ls74雙D觸發(fā)器進展四分頻， 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 過由LM324四通道運放構(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

6、角波；將方波I通過由LM324四通道運放構(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 ;將根本信號固定頻 率，然后通過由LM324四通道運放構(gòu)成的帶通濾波器，得到250 kHz左右的正弦波,再通過由LM324四通道運放構(gòu)成的低通濾波器，得到250k峰峰值8V的正弦 波II o2多波形產(chǎn)生電路設(shè)計2.1設(shè)計原理555多諧振蕩器：電源接通時，555的3腳輸出高電平，同時電源通過 R1R2 向電容c充電，當c上的電壓到達555集成電路6腳的閥值電壓2/3電源電壓 時，555的7腳把電容里的電放掉，3腳由高電平變成低電平。當電容的電壓降 到1/3電源電壓時，3

7、腳又變?yōu)楦唠娖?，同時電源再次經(jīng) R1R2向電容充電。這 樣周而復(fù)始，形成振蕩。74IS74四分頻：74LS74是個雙D觸發(fā)器，把其中的一個D觸發(fā)器的Q非輸 出端接到D輸入端，時鐘信號輸入端CLOCKS時鐘輸入信號，這樣每來一次CLOCK 脈沖，D觸發(fā)器的狀態(tài)就會翻轉(zhuǎn)一次，每兩次 CLOCKS沖就會使D觸發(fā)器輸出一 個完整的方波，這就實現(xiàn)了二分頻。把同一片74LS74上的兩路D觸發(fā)器串聯(lián)起來，其中一個D觸發(fā)器的輸出作為另一個D觸發(fā)器的時鐘信號，這就實現(xiàn)了四分 頻。LM324四通道運算放大器，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，從而實現(xiàn)信號的運算處理。如圖2-1展示了此多

8、波形產(chǎn)生電路的根本工作流程，經(jīng)過仿真驗證證明此電路的可行性。3單元電路設(shè)計555多諧振蕩器由555定時器和外接元件 R1、R2和C構(gòu)成的多諧振蕩器，2腳與6腳直接相連，電路沒有穩(wěn)態(tài)，只有兩個暫穩(wěn)態(tài)，電路也不需要外加觸發(fā)信號，利 用電源通過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，實測波形如圖 3-3所示。1CV2021pF pluT 為于、yRST >DIS OO =THRTltlGd匸TRI.TiluFGND圖3-1 555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

9、穩(wěn)定性，該電路用少量的元件就可以獲得高精度震蕩頻率和較強的功率輸出能力，輸出的方波經(jīng)過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)計要求圖3-2仿真波形3-3實測波形74IS74分頻電路一個74ls74集成芯片有兩個D觸發(fā)器，一個D觸發(fā)器可以組成一個二分頻電路，把其中的一個D觸發(fā)器的Q非輸出端接到D輸入端，時鐘信號輸入端CLOCK 接時鐘輸入信號，這樣每來一次 CLOCK脈沖，D觸發(fā)器的狀態(tài)就會翻轉(zhuǎn)一次，每 兩次CLOCKS沖就會使D觸發(fā)器輸出一個完整的正方波，這就實現(xiàn)了信號二分頻。 二分頻電路輸入信號過零上升沿每到來一次二分頻器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次便可得到二 分頻，

10、把兩個D觸發(fā)器串聯(lián)起來，就是四分頻電路。于是根本方波信號就被分頻 成了 5kHz-10 kHz的方波，然后經(jīng)過分壓電路，就得到 5kHz-10 kHz的方波幅值 為1V的方波II 074IS74四分頻電路原理如圖3-4所示，仿真效果如圖3-5所示，實測效果 如圖3-6所示“：S- I由制吸掏成的四分測i攪黏圖3-4分頻電路原理圖3-5仿真波形圖3-6實測波形3.3積分電路積分電路可以用來進展波形變換，由于交流信號需要和偏置電壓復(fù)合，以偏 置電壓為參考點，交流信號分別位于正負半周，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

11、于只有10V單電源供電，選用5V穩(wěn)壓管，將電壓穩(wěn)到5V，然后進展分壓，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 號與輸入信號的時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。電路將5kHz-10kHz連續(xù)可調(diào)的方波進展積分，得到 5kHz-10kHz峰峰值3V的三角波，其仿真波形如圖3-9所示，實測波形如圖3-10所示。圖3-9仿真波形圖3-9實測波形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。低通濾波器是容許低于截止頻率的 信號通過， 但高于截止

12、頻率的信號不能通過的電子濾波裝置。低通濾波器的作 用是抑制高頻信號，通過低頻信號。簡單理解，可認為是通低頻、阻高頻。低通 濾波器包括有源低通濾波器和無源低通濾波器， 無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 與運算放大器構(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。任何周期信號，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。而貫穿時 域與頻域的方法之一，就是傳中說的傅里葉分解。此處20kHz-30kHz的方波信號 就可以用低通濾波器將其中的正弦波別離出來然后得到電壓峰峰值為 3V、連續(xù)可調(diào)的20kHz-30kHz正弦波

13、信號I。仿真信號如圖3-11，實測信號如圖3-12圖3-11仿真波形圖3-12實測波形3.5帶通濾波器帶通濾波器是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設(shè)備，也就是通過某一頻率X圍內(nèi)的頻率分量、但將其他X圍的頻率分量衰減到極低水平的濾 波器。任何一個周期信號都可以展開成傅里葉級數(shù)， 也就是假如干次正弦波之和， 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50kHz的方波進展選擇別離，得

14、到固定頻率250kHz峰峰值8V 的正弦波。電路如圖3-13所示。世孔屁.總m i圖3-13正弦波選頻電路圖3-14仿真波形圖3-15實測波形4元件參數(shù)選擇4.1 555多諧振蕩器555電路要求R1、R2均應(yīng)大于或等于1kQ Q。其輸出信號的時間參數(shù)是：T=tw1+tw2tw仁 0.7(R1+R2)*Ctw2=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 動變阻器就可以調(diào)節(jié)所產(chǎn)生方波的幅值。4.2 74IS74 分頻器分頻就是用同一個時鐘信號通過一定的電路結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成不同頻率的時鐘信號。四分頻就是通過有分頻作用的電路結(jié)構(gòu)， 在時鐘每觸發(fā)4個周期時，電

15、路輸 出1個周期信號。用一個脈沖時鐘觸發(fā)一個計數(shù)器，計數(shù)器每計4個數(shù)就清零一 次并輸出1個脈沖，那么這個電路就實現(xiàn)了四分頻功能。Cp接時鐘，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。這就組成了一個二分頻D觸發(fā)器，兩個D觸發(fā)器串聯(lián)，就構(gòu) 成了四分頻器。4.3積分電路假如要進展積分電路信號的積分運算，可選用根本積分電路。首先確定時間常數(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：當時間常數(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，用來補償

16、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通過，但高于截止頻率的信號不能通過的濾波裝置。20kHz-30kHz的方波經(jīng)過低通濾波器后可 以將20kHz-30kHz正弦波過濾出來。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止頻率與下限截止頻率之差。在有源帶通

17、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)計確定的Q fo、Ao值，求出帶通濾波器的各元件參數(shù)值。R仁Q/2n foAoCR2=Q/ 2Q2-AO*2 n foCR3=2Q/2n foC。上式中，C取0.01Uf。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波形的影響：實物測試時由于電壓有毛刺對波形穩(wěn)定產(chǎn)生影響，為了上波形測試時穩(wěn)定，采用了三節(jié)18650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 X 圍之內(nèi)，否如此會出現(xiàn)失真。并且仿真電路測試效果與實物測試相差甚大，所以 電阻采用電位器測試，以便于調(diào)試。

18、2. 單電源和雙電源的區(qū)別與其對電路的影響：運放采用單電源供電時，積分電路不能工作，所以采用參考電壓，以保證波 形穩(wěn)定，且振幅最大。3. 模塊與模塊之間的存在相互影響：雖然總體電路運行仿真成功，但是做成實物時，各功能模塊的波形會受到其 他模塊的影響，失真交嚴重。處理方法是在各模塊之間參加耦合電容。由于最后250kHz正弦波，由于波形有毛刺，為了使波形穩(wěn)定，串聯(lián)進去一個磁珠，輸出 波形較為符合預(yù)期標準。所以整體電路設(shè)計符合設(shè)計目標。4. 仿真與實物效果相差甚遠，需要耐心進展調(diào)試，有可能實物參數(shù)與仿真參數(shù)不 符合，需要進展更換元件參數(shù)，然后再進展調(diào)試。6個人總結(jié)在課程設(shè)計過程中，我不斷發(fā)現(xiàn)錯誤，不

19、斷改正，不斷領(lǐng)悟，不斷獲取。最 終的檢測調(diào)試環(huán)節(jié)，更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)與掌握了各芯片的工作原理和 其具體的使用方法。也鍛煉了我獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決 問題的習(xí)慣。雖然這只是一次簡單的課程設(shè)計，但通過這次課程設(shè)計我了解課程 設(shè)計的一般步驟，和設(shè)計中應(yīng)注意的問題。設(shè)計本身并不是有很重要的意義， 而 是對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。回顧起此課程設(shè)計，至今我仍感慨頗多，從理論到實踐，學(xué)到很多很多的東 西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識， 而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué) 到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所

20、學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得 出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。 在設(shè)計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，但可喜的是最終都得到了解決。課程設(shè)計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以與專業(yè)技能上的提升， 不 僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。 更重要 的是，在實驗課上，我們學(xué)會了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是以后最實用的，真的是 受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實踐，再學(xué)習(xí)、再實踐。這對 于以后工作也有很大的幫助。參考文獻1 何小艇，電子系統(tǒng)設(shè)計，某某大學(xué)，2005年6月。2姚福安，電子電路設(shè)計與實踐，某某科學(xué)技術(shù)，2007年10月3吉勇，模擬電路，科學(xué)，2007年6月。4 李銀華，電子線路設(shè)計指導(dǎo)，航空航天大學(xué)，2005年6月。5. 康華光，電子技術(shù)根底，高教，2003。6. 田英