波形發(fā)生器設計實驗報告

1、一、實驗目的(1)熟悉555型集成時基電路結構、工作原理及其特點。(2)掌握555型集成時基電路的基本應用。(3)掌握由555集成型時基電路組成的占空比可調的方波信號發(fā)生器。二、實驗基本原理555電路的工作原理555集成電路開始是作定時器應用的，所以叫做555定時器或555時基電路。但后來經過開發(fā)，它除了作定時延時控制外，還可用于調光、調溫、調壓、調速等多種控制及計量檢測。止匕外，還可以組成脈沖振蕩、單穩(wěn)、雙穩(wěn)和脈沖調制電路，用于交流信號源、電源變換、頻率變換、脈沖調制等。由于它工作可靠、使用方便、價格低廉，目前被廣泛用于各種電子產品中，555集成電路內部有幾十個元器件，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腳稱閾值端(TH),是上比較器的輸入；2腳稱觸發(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決定；7腳是放電端(DIS)它是內部放電管的輸出，有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定；4腳是復位端(MR),加上低電平時可使輸出為低電平；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。U4555_TIMER_RATED

3、9;,11r1,vco，1'p,ain！maaw.MST-OUT-DTSTHR THIjaLbJ4kludJ.aga. -GGM- -QX)"用555定時器組成的多諧振蕩器如圖所示。接通電源后，電容C2被充電，當電容C2上端電壓Vc升至I2Vcc3時使555第3腳V0為低電平，同時555內放電三極管T導通，此時電容C2通過R1放電，Vc下降。當Vc下降至IVcc/3時，V0翻轉為高電平。電容器C2放電所需的時間為(1-1)tpL=R1*C2*ln2當放電結束時，T截止，Vcc將通過R1,R2,R3向電容器C2充電，Vc由Vcc3上升到2Vcc3所需的時間為(1-2)tpH=(

4、R1R2R3)C21n2=0.7(R1R2R3)C2當Vc上升到2Vcc3時，電路又翻轉為低電平。如此周而復始，于是，在電路的輸出端就得到一個周期性的矩形波。電路的工作波形如圖4,其中的震蕩頻率為：三、實驗設計目標波形發(fā)生器是建立在模擬電子技術基礎上的一個設計性實驗，它是借助綜合測試板上的555芯片和一片通用四運放324芯片，以及各種電阻、電感、電容等基本元器件，從而設計制作一個頻率可變的同時輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波I、正弦波R的波形產生電路，其借助于計算機軟件multisim仿真以及電路板硬件調試輸出來實現(xiàn)的具體設計目標如下:1、同時四通道輸出、每通道輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波I、正弦波I

5、I中的一種波形，每通道輸出的負載電阻均為600歐姆。2、四種波形的頻率關系為1:1:1:3（3次諧波）；脈沖波、鋸齒波、正弦波I輸出頻率范圍為8KHz10KHz,輸出電壓幅度峰峰值為1V;正弦波II輸出頻率范圍為24KHz-30KHz,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無明顯失真，頻率誤差不大于10%;通帶內輸出電壓幅度峰峰值誤差不大于5%。脈沖波占空比可調整。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、要求預留脈沖波、鋸齒波、正弦波I、正弦波R和電源的測試端子。5、每通道輸出的負載電阻600歐姆應標清楚、至于明顯位置，便于檢查。四.電路分析內容和

6、方案比較首先我們想到的設計方案的思路是首先由555定時器組成的多諧振蕩器產生方波，即利用555與外圍元件構成多諧振蕩器，來產生方波。其電路模塊如圖1所示，然后由積分電路將方波先轉化為三角波，RC積分電路是一種應用比較廣泛的模擬信號運算電路。其常用積分電路作為調節(jié)環(huán)節(jié)。止匕外，RC積分電路還可以用于延時、定時以及各種波形的產生或變換。A圖1R1-1k-R210R由555定時器組成的多諧振蕩器輸出的方波輸出后經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化為正弦波，經過放大器后即可得到我們想要幅值的

7、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圖2所示。圖2得到兩個波形輸出后，再從方波輸出端連出一根線作為輸入，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時的較慢的充電和D2的快速放電來實現(xiàn)鋸齒波輸出的實現(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濾波電路的組合來實現(xiàn)三次諧波的輸出實現(xiàn)圖4剛開始設計之前之所以采用此方案，是因為該方案調試容易，且本方案的電路結構、思路簡單，運行時性能穩(wěn)定，且成本低廉、調整方便，關于輸出正弦波波形的變形，可以通過可變電阻的調節(jié)來調整。但當我們把所有電路模塊連接到一起時，由于我們設計的各模塊間并沒有什么中間隔

8、離回路模塊，即方波和正弦波，還有鋸齒波和三次諧波各個模塊是前后級相互有影響的，此時由于我們在輸出鋸齒波和三次諧波時還要先用方波輸出端作為我們的輸入，從而導致各級電路之間的相互影響，從而使三次諧波出現(xiàn)衰減振蕩等比較嚴重的失真的現(xiàn)象，為了解決這個問題，我們也采用了射級跟隨器等電路模塊來試著解決該問題，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來能較好的符合設計要求。由于方案一無法滿足設計的所有要求，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計要求的，方案二的具體設計方法，原理，內容見如下：電路設計

9、:方波發(fā)生電路部分:由于方案一種的方波輸出比較理想，所以我們在改進的方案中，方波電路的設計思路基本不變，仍然是由555定時器組成的多諧振蕩器產生方波，即利用555與外圍元件構成多諧振蕩器，來產生方波。其電路模塊如圖5所示，其基本原理與方案一中相同，在我們設計模塊中555定時器通過RA、RBC2設定輸出信號的頻率和脈寬。(RA為RS用口DIS之間的電阻值，RB為DIS和THR之間的電阻值，C2為THRa地之間的電容值)，其中的參數(shù)為高低電平的時間分別為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)并且此時我們我們通過加入

10、滑動變阻器來通過改變兩個滑動變阻器的阻值來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,并且負載為600歐姆，由于在我們所連接方波模塊輸出端方波電壓值為10V,所以在圖5所示,g塊555的輸出端OUT連接電阻5400歐姆來進行分壓，即讓負載輸出方波波形電壓值正好為10V的十分之一，也就是1V,從而讓達到其設計要求，即:(Vout=10V)600V二Vout6005400實驗中我們得到的方波的波形圖如下圖所示:實驗方波波形圖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間常數(shù)遠大于反向積分的時間常數(shù)，或者反向積分的時間常數(shù)遠大于正向積分的時間常數(shù)，那么輸出電壓u

11、o上升和下降的斜率很多，就可以獲得鋸齒波。利用二極管的單向導電性使積分電路兩個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)生電路振蕩周期的計算方法，可得出鋸齒波下降時間和上升時間分別為：寸七"R1*C12寸2-1/*-R1(R3+Rw)C振蕩周期：t=2R(2R3RW).cR2因為R3的阻值遠小于RW，所以可認為T«T2根據(jù)T1和T的表達式，可得到UO1的占空比為工=-RUT2R3Rw調整R1和R2的阻值可以改變鋸齒波的幅值；調整R1,R2和RW的阻值以及C的容量，可以改變振蕩周期；調整電位器滑

12、動端的位置，可以改變UO1的占空比，以及鋸齒波上升和下降的斜率產生方波后，我們也是利用同方案一一樣的方法來用方波輸出作為輸入，在原理圖的基礎上加以適當?shù)母倪M，利用如圖6所示模塊來產生鋸齒波，該模塊的原理為利用二極管的單向導電性，我們將通過導線分成兩個支路將連接運放的輸入端，每個支路連接一個二極管1N414日使得積分電路的充放電回路分開，從而對于DL極管所在支路來說，由于該支路D1連接有電阻，從而在充電過程，由于電阻的作用，從而輸入端通過運放后的輸出電壓是一個穩(wěn)步上升的階段，從而該階段產生的波形是一段具有一定斜率的傾斜直線，當電壓幅值達到峰值后，由于存在另一條支路連接有D2s極管，該支路由于只存

13、在二極管D2,所以在放電階段是一個非?？焖傧陆档倪^程，從而產生的波形接近一條豎直的線，從而通過該電路模塊即可以將方波波形轉化成鋸齒波波形輸出了，由于我們?yōu)榱藴p小前后級的影響，所以在DWD所聯(lián)的前端又加了一個阻值為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，這樣就可以使輸出的鋸齒波更完美，即我們可以通過12K電阻與4.7k電阻的比值來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：K下降12K4.7KK上升4.7K=3.55,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

14、式可以求得上升時間約為4us,下降時間約為1us,可以看出通過這樣的連接方式即可以使鋸齒波形狀的波形輸出。實驗實際的鋸齒波電路圖8實驗鋸齒波波形圖9正弦波發(fā)生電路部分:本實驗采用的是RC二階低通濾波電路，RC并聯(lián)選頻網絡是其中的重要的組成部分。如下圖所示的RC濾波電路中，它即可以通過直流信號，又可以通過交流信號它和RC串聯(lián)電路有著同樣的轉折頻率fo=1/2冗R1C1,當輸入信號頻率小于f0時，信號相對電路為直流，電路的總阻抗為R1;當輸入信號的頻率大于f0時，c1的容抗相對很小，總阻抗為電阻阻值并上電容容抗，當頻率高到一定程度時總的阻抗為零。濾波原理圖10如下圖所示的電路圖中，其中LM324運

15、放的作用是作為電壓比較器來使用的，使得輸出的信號更加接近于占空比為50%的脈沖波，其工作原理為：因為接入I咬LM324運放負極輸入端的波形是一個幅值為10V的接近鋸齒波形狀的波形，因為鋸齒波在上升階段是成一條斜線，而我們從LM324運放正極輸入端輸入的是一個幅值為5V的直流電平，所以對于從負極輸入的10V鋸齒波來說，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是低于5V的，此時正好正極電壓大于負極電壓，從而通過LM324運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,所以此時正極電壓小于負極電壓，從而反映在輸出波形即

16、是低電平，因為輸出的高低電平各為二分之一，所以通過這個比較器后的波形即是占空比接近50%的脈沖波，而且通過我們實際觀察輸出波形其也是接近占空比為50%的脈沖波，只不過其由于一定失真原因不是特別完美的脈沖波，因為我們在比較器輸出后市接近占空比為50%的脈沖波，所以這樣通過后面的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LM324運放作為電壓比較器來使用從比較器后得到占空比為50%的脈沖波后，因為只有占空比接近50%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，所以之前我們要先得到占空比接近50%的脈沖波。我們讓其經過后面的兩階濾波器來

17、得到想要的正弦波，其中濾波器由R1和C2&成的第一級濾波網絡后得到的是含有諧波分量的正弦波，不過一級網絡并沒有完全濾出比較標準的正弦波，所以再經過由R2ffiC3ffl成的第二級濾波網絡后就得到所需要的正弦波際設計中所用的電路圖如下圖所示：實驗電路圖12因為我們要濾出的是10KHz的正弦波，根據(jù)實驗電路中的數(shù)據(jù)，我們可以用公式f0=1來算出我們所要濾出的正弦波的頻率，由于圖中R1=R2C2=C3,2冗RC所以在計算式僅用R1和C漪可以了，如圖中所示，帶入R1和C2的值后，算得一、.1頻率f0=9.94KHZ電10KHz這與我們所設計的正弦波為10KHz是吻合2冗RC2的，符合我們設計的

18、標準和要求。最后得到的實驗正弦波實際波形如下圖所示:圖13三次諧波分量：同基波分量的正弦波得到一樣，我們也通過濾波的方式來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作為相應的輸入，經過相應的濾波器來得到三次諧波的正弦分量，其原理電路圖見下圖，我們通過LC與RC電路的組合使用來將其中的三次諧波濾出來，其實際的電路如下圖所示：實驗的原理圖14本設計當中我們主要運用到的是濾波的方法，在鋸齒波電壓為固定頻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大于鋸齒波的基波頻率并且一定要小于鋸齒波的五次諧

19、波的頻率，我們就是根據(jù)這個原理來對三次諧波分量進行濾出的。對于如圖所示的電路，采用了LC和RC混合濾波的方式。其理論計算過程如下所示：計算過程：第一級LC并聯(lián)諧振回路：f=一=36KHZ2%，LCi同樣的，對于第二級濾波電路:27tL3c2=34.5KHZ對于RC并聯(lián)諧振回路來說：其頻率為fo=1=33.2KHZ2冗R1C3對于最后一級RC并聯(lián)諧振回路來說：f0=1=29.2KHZ2uR2C4由于輸入的信號是10KHz通過最后一級的濾波器之后，輸出的正弦波的頻率為29.2KH乙頻率約為輸入信號的三倍，符合設計的要求。得到的三次諧波圖如下圖所示：五、設計結果和概要經過我們的設計，我們所設計出的波

20、形如下圖所示:Qsi對于如圖所示的波形中，方波是由555定時器組成的多諧振蕩器所產生的，它的輸出電壓的幅值為1V,頻率為10KHz符合設計的要求。產生了方波之后，方波經過了一個由二極管，電阻，電容，以及324運放等組成的積分電路產生了幅值為1V,頻率仍為10KHz的鋸齒波，符合設計要求，然后從555輸出的信號經過一個電壓比較器后輸出方波，方波經過低通RC濾波器產生了幅值為1V頻率還是為10KHz的正弦波，同樣符合要求。最后通過一個由LC和RC組成的濾波電路產生了幅值為6V頻率為29.2KHZ的三次諧波，基本符合設計的要求六、課程設計感想首先感謝馮老師對我們的諄諄教導和耐心的講解，本次課程設計我們選取的是13年電子設計大賽的綜合測評題，555電路的綜合應用，它是基于模擬電子技術