方波產(chǎn)生與波形變換電路

1、電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)評分表電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)評分表課程設(shè)計(jì)題目： 方波產(chǎn)生與波形變換電路 班級： 學(xué)號： 姓名： 項(xiàng)目評分比例得分課程設(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： 2013 年 1 月 日1常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院常熟理工學(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： 方波產(chǎn)生與波形變換電路 班級： 姓名： 學(xué)號： 指導(dǎo)老師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2目錄目錄 1 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 .32 總體設(shè)計(jì)方案.52.1 方波產(chǎn)生電路的方案選擇 .52.2 方波三角波轉(zhuǎn)

2、換電路的方案選擇 .62.3 三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇 .63 各組成部分的設(shè)計(jì)及其原理.73.1 方波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及其原理 .73.2 方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理 .83.3 三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理 .94 元器件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)的計(jì)算.105 總體電路原理圖及整個(gè)電路的工作原理.116 電路仿真圖及其工作波形.126.1 方波產(chǎn)生電路仿真圖及波形 .126.2 總電路仿真圖及波形 .137 收獲和體會(huì).168 參考文獻(xiàn).1731 電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱：方波產(chǎn)生和波形變換電路課題名稱：方波產(chǎn)生和波形變換電路1.1 設(shè)計(jì)目的設(shè)

3、計(jì)目的1.1.1 了解集成運(yùn)放電路的組成和使用；1.1.2 了解集成運(yùn)放幾種典型應(yīng)用電路的工作原理；1.1.3 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。1.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求1.2.1 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；1.2.2 對產(chǎn)生的方波信號的幅度和頻率不做統(tǒng)一規(guī)定，請自行設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的方波信號經(jīng)積分電路得到三角波，再對三角波進(jìn)行有源低通濾波，最終得到正弦波；1.2.3 電路工作電源為12V；1.2.4 畫出電路圖，寫出完整的報(bào)告；1.2.5 用面包板搭出電路，并調(diào)試之。1.3 總體方案參考總體方案參考 方波產(chǎn)生電路低通濾波電路示波器顯示

4、積分電路1.4. 設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容要求設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容要求1.4.1 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。1.4.2.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。對各部分電路的工作原理應(yīng)作出說明。1.4.3.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。1.4.4.評分依據(jù)：設(shè)計(jì)思路；單元電路正確與否；整體電路是否完整；4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。1.5. 課程設(shè)計(jì)說明書的格式課程設(shè)計(jì)說明書的格式1.5.1 評分表1.5.2 封面1.5.3 目錄1.5.4 正文（1）課程設(shè)計(jì)任務(wù)書；（

5、2）總體設(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。1.5.5 課程設(shè)計(jì)中的收獲和體會(huì)1.5.6 參考文獻(xiàn)52 總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案完成方波產(chǎn)生和波形變換的電路設(shè)計(jì)。首先，設(shè)計(jì)一方波發(fā)生電路產(chǎn)生方波，然后，產(chǎn)生的方波通過方波三角波轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為三角波，其次產(chǎn)生的三角波通過三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為正弦波，并通過示波器顯示出來。實(shí)現(xiàn)電路功能的大致框圖如下：方波產(chǎn)生電路方波三角波轉(zhuǎn)換電路三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路示波器顯示圖 2-1 總體設(shè)計(jì)框圖2.1 方波產(chǎn)

6、生電路的方案選擇方波產(chǎn)生電路的方案選擇方波產(chǎn)生電路有以下兩種方案可供選擇：方案一：由電壓（滯回）比較器及其外圍電路組成的方波產(chǎn)生電路。滯回比較器又稱施密特觸發(fā)器，這種比較器的特點(diǎn)是當(dāng)輸入信號 ui 逐漸增大或逐漸減小時(shí)，它有兩個(gè)閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。方案二：由 555 定時(shí)器及其外圍電路組成的方波產(chǎn)生電路。555 定時(shí)器是一種多用途的數(shù)字模擬混合集成電路，它的功能主要由兩個(gè)比較器決定。兩個(gè)比較器的輸出電壓控制 RS 觸發(fā)器和放電管的狀態(tài)。在電源與地之間加上電壓，當(dāng) 5 腳懸空時(shí)，則電壓比較器 A1 的反相輸入端的電壓為 2VCC /3，A2 的同相輸入端的電壓為 V

7、CC /3。若觸發(fā)輸入端 TR 的電壓小于 VCC /3，則比較器 A2 的輸出為 1，可使 RS 觸發(fā)器置 1，使輸出端 OUT=1。如果閾值輸入端 TH 的電壓大于 2VCC/3，同時(shí) TR 端的電壓大于 VCC /3，則 A1 的輸出為 1，A2 的輸出為 0，可將 RS 觸發(fā)器置 0，使輸出為 0 電平。6將方案一與方案二對比后，我選擇了方案二，即由 555 定時(shí)器組成的方波產(chǎn)生電路。之所以選擇方案二，是因?yàn)?555 定時(shí)器成本低，性能可靠，只需要外接幾個(gè)電阻、電容，就可以實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器脈沖產(chǎn)生與變換電路，在實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)中易于滿足要求。2.22.2 方波方波三角波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇三角

8、波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇方波三角波轉(zhuǎn)換電路，我就采用了 RC 積分電路，此電路簡單實(shí)用，在電路設(shè)計(jì)中易于實(shí)現(xiàn)、滿足要求。2.32.3 三角波三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇正弦波轉(zhuǎn)換電路的方案選擇三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路有以下兩種方案可供選擇：方案一：由差分放大電路組成的三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路，差分放大電路具有工作穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)，特別是作為直流放大時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變成正弦波，有效的利用了差分放大傳輸特性曲線的非線性。缺點(diǎn)：差分放大電路比較復(fù)雜，布局中有較多的晶體管，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中不易實(shí)現(xiàn)。方案二：由二階低通濾波電路組成的三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路，低通濾波

9、電路的設(shè)計(jì)較為簡單，在實(shí)際中易于設(shè)計(jì)，減少工作量，且能完成預(yù)定的工作要求。將方案一與方案二對比后，我選擇了方案二，即二階低通濾波電路組成的三角波正弦波轉(zhuǎn)換電路。73 各組成部分的設(shè)計(jì)及其原理各組成部分的設(shè)計(jì)及其原理3.13.1 方波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及其原理方波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)及其原理方波發(fā)生電路采用 555 定時(shí)器與外圍元件構(gòu)成多諧振蕩器，來產(chǎn)生方波。圖 3-1 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器用 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖 3-1 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，

10、此時(shí)電容 C2通過 R3、Rp 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：8tpL= ( R3 +Rp) C2ln2 (3-1) 當(dāng)放電結(jié)束時(shí)，T 截止，Vcc 將通過 R1、R3、Rp 向電容器 C2 充電，Vc 由Vcc/3 上升到 2Vcc/3 所需的時(shí)間為：tpH= (R1+R3+ Rp) C2ln2=0.7( R1+R3+ Rp) C2 (3-2) 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，其震蕩頻率為：f=1/（tpL+tpH）

11、=1.43/(R1+2R3+2Rp) C2 (3-3) 圖 3-2 由 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器工作波形3.23.2 方波方波-三角波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理三角波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理方波-三角波轉(zhuǎn)換電路采用積分電路將方波轉(zhuǎn)換為三角波。積分電路及其工作波形如圖 3-3 所示。9圖 3-3 積分電路產(chǎn)生三角波RC 積分電路是一種應(yīng)用比較廣泛的模擬信號運(yùn)算電路。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，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。由 555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器輸出的方波經(jīng) C4 耦合輸出，如圖 3-3 所示為 RC 積分電路，再經(jīng) R 與 C 積分

12、，構(gòu)成接近三角波。其基本原理是電容的充放電原理。3.33.3 三角波三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理正弦波轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)及其原理三角波-正弦波轉(zhuǎn)換電路采用低通濾波電路將三角波轉(zhuǎn)換為正弦波。低通濾波電路如圖 3-4 所示。圖 3-4 低通濾波電路低通濾波電路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電路。104 4 元器件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)的計(jì)算元器件的選擇及相關(guān)數(shù)據(jù)、參數(shù)的計(jì)算元器件的選擇清單如下表 1。方波的周期為 T= tpL + tpH =(R1+2R3+2Rp) C2 ln2，頻率 f=1/T。方波電壓幅值為5V。表 1 元器件的選擇清單類型規(guī)格數(shù)量備注0.

13、51K11K162K1電阻1K3滑動(dòng)變阻器20K1芯片555 芯片1電容100uF110uF11uF10.1uF20.01uF2發(fā)光二極管LED1115 5 總體電路原理圖及整個(gè)電路的工作原理總體電路原理圖及整個(gè)電路的工作原理總體電路原理圖如圖 5-1 所示。總電路圖的原理：555 定時(shí)器接成多諧振蕩器工作形式，C2 為定時(shí)電容，C2 的充電回路是 R2R3RPC2；C2 的放電回路是 C2RPR3IC 的 7 腳(放電管)。由于 R3+RPR2，所以充電時(shí)間常數(shù)與放電時(shí)間常數(shù)近似相等，由 IC 的 3 腳輸出的是近似對稱方波。按圖所示元件參數(shù)，其頻率為 1kHz 左右，調(diào)節(jié)電位器 RP 可改

14、變振蕩器的頻率。方波信號經(jīng)R4、C5 積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三角波再經(jīng) R5、C6 積分網(wǎng)絡(luò)，輸出近似的正弦波。C1 是電源濾波電容。發(fā)光二極管 VD 用作電源指示燈。 12圖 5-1 總體電路原理圖6 電路仿真圖及其工作波形電路仿真圖及其工作波形6.1 方波產(chǎn)生電路仿真圖及波形方波產(chǎn)生電路仿真圖及波形在繪制仿真電路圖時(shí)，首先繪制了方波產(chǎn)生電路仿真圖，如圖 6-1 所示，產(chǎn)生了如圖 6-2 所示的工作波形，從圖上可以看出，方波波形基本符合要求，不失真。13圖 6-1 方波產(chǎn)生電路仿真圖圖 6-2 方波產(chǎn)生電路的工作波形146.26.2 總電路仿真圖及波形總電路仿真圖及波形圖 6-3 仿真電路

15、總圖15圖 6-4 總電路圖產(chǎn)生的方波圖 6-5 總電路圖產(chǎn)生的三角波圖 6-6 總電路圖產(chǎn)生的正弦波16仿真電路總圖如圖 6-3 所示，總電路產(chǎn)生了分別如圖 6-4 所示的方波，如圖 6-5 所示的三角波，如圖 6-6 所示的正弦波。從圖上可以看出，電路產(chǎn)生的波形都有些失真，尤其三角波失真較嚴(yán)重。三角波產(chǎn)生電路采用的是 RC 積分電路，它是一個(gè)模擬信號運(yùn)算電路，運(yùn)用的是電容 C 充放電原理，產(chǎn)生的波形易于失真。7 7 收獲和體會(huì)收獲和體會(huì)為期一個(gè)星期的課程設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，通過對此課程的設(shè)計(jì)，我不但知道了以前不知道的理論知識，而且也鞏固了以前知道的知識。最重要的是在實(shí)踐中理解了書本上的知識，明白

16、了學(xué)以致用的真諦。增強(qiáng)了如何運(yùn)用所學(xué)的知識去解決實(shí)際的問題的能力，并提高了提高動(dòng)手能力。在這次課程設(shè)計(jì)中讓我學(xué)會(huì)了如何設(shè)計(jì)電路，了解了電路是如何產(chǎn)生信號處理信號的。要得出自己所要的波形，需要不斷的進(jìn)行調(diào)試，一遍遍的嘗試，最后終于得出了所要的波形。最終也完成了此次課程設(shè)計(jì)，基本上達(dá)到了老師的要求，雖然過程看起來 是艱苦的，但最后的結(jié)果是令人喜悅的。在此次課程設(shè)計(jì)中遇到了不少難題，通過查閱資料和同學(xué)間的相互幫助，都一一解決。在此，要感謝我的指導(dǎo)老師，我的指導(dǎo)老師在百忙之中抽出時(shí)間指導(dǎo)我的課程設(shè)計(jì)，并耐心輔導(dǎo)。也要謝謝我的同學(xué)們，感謝他們給予我的幫助，我才能得以完成這次課程設(shè)計(jì)。這次課程設(shè)計(jì)也讓我懂得了團(tuán)結(jié)合作的重要性，讓17我學(xué)會(huì)了與人協(xié)作，提高工作效率，為以后的工作與學(xué)習(xí)打下了一定的基礎(chǔ)。8 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)1 康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)字部分） M.第五版.北京：高等教育出版社，2006.414-4242 稻葉保主編.振蕩電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京：科學(xué)出版社，2004.29-993 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