波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、正 文1 選題背景波形發(fā)生器又名信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域。雷達(dá)、通信、宇航、遙控遙測(cè)技術(shù)和電子系統(tǒng)等領(lǐng)域都隨處可見波形發(fā)生器的應(yīng)用。如今作為電子系統(tǒng)心臟的信號(hào)源的性能很大程度上決定了電子設(shè)備和系統(tǒng)的性能的提高，因此隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今對(duì)信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度和頻率范圍以及信號(hào)波形的形狀提出越來越高的挑戰(zhàn)。1.1指導(dǎo)思想 利用NE555構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生方波，根據(jù)LM324輸出的鋸齒波分別通入低通濾波器和高通濾波器就可以輸出正弦波、正弦波。1.2 方案論證 方案一：使用NE555芯片構(gòu)成多諧振蕩器，輸出方波，通過鋸齒波發(fā)生電路產(chǎn)生鋸齒波，然后通過一個(gè)的低

2、通濾波器，通過濾波產(chǎn)生一次，8KHz到10KHz的正弦波，然后再讓鋸齒波通過一個(gè)24KHz30KHz的帶通濾波器，輸出三次正弦波。其中濾出三次諧波的理論依據(jù)是，由于鋸齒波是一個(gè)關(guān)于的周期函數(shù)，并且滿足狄里赫萊條件：在一個(gè)周期內(nèi)具有有限個(gè)間斷點(diǎn)，且在這些間斷點(diǎn)上，函數(shù)是有限值；在一個(gè)周期內(nèi)具有有限個(gè)極值點(diǎn)；絕對(duì)可積。 方案二：使用功放構(gòu)成文森橋式震蕩電路，產(chǎn)生出8KHz10KHz的正弦波。接著是用NE555芯片，搭建出施密特觸發(fā)電路，產(chǎn)生脈沖波輸出；將脈沖波分別輸入一個(gè)的低通濾波器和24KHz30KHz的帶通濾波器電路中，產(chǎn)生一次和三次正弦波。 最初方案設(shè)計(jì)的大體思路在方案一和方案二之間猶豫不決

3、，于是將兩個(gè)電路的大體電路都進(jìn)行了簡單的設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)方案二存在很多的問題很難解決。 問題一：如果使用文森橋式震蕩器產(chǎn)生正弦波，改變震蕩頻率就需要改變RC常數(shù)，要同時(shí)改變兩個(gè)R（在實(shí)際電路中，同時(shí)改變兩個(gè)電容的值是很復(fù)雜的，而且這樣也無法得到一個(gè)8KHZ10KHz的連續(xù)的頻率），需要雙滑動(dòng)變阻器并且要保證滑動(dòng)變阻器改變的值完全相同，有一定困難。 問題二：NE555芯片搭建出來的是一個(gè)簡單的施密特觸發(fā)器，輸入正弦波之后，輸出的脈沖波的占空比是不可以調(diào)整的，不滿足實(shí)驗(yàn)要求的占空比可調(diào)的條件。要是施密特觸發(fā)器產(chǎn)生的脈沖波的占空比可調(diào)會(huì)是該電路進(jìn)一步復(fù)雜化。 問題三：LM324芯片的功放不夠，由于有負(fù)載電

4、阻的限制，輸出波形的峰峰值不能簡單的通過電阻的分壓來實(shí)現(xiàn)。鑒于方案二存在的問題能以解決，我們就確定選擇方案一的整體思路進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)。1.3 基本設(shè)計(jì)任務(wù) 用555 定時(shí)器和四運(yùn)放LM324 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)頻率可變的、能夠同時(shí)輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波I 和正弦波II 的波形產(chǎn)生電路。 （1）四通道同時(shí)輸出。每通道輸出脈沖波、鋸齒波、正弦波I 和正弦波II 中的一種波形，通道負(fù)載電阻均為600 歐姆。 （2）四通道輸出波形的頻率關(guān)系為1：1：1：3（三次諧波）。脈沖波、鋸齒波、正弦波I 輸出頻率范圍為8kHz10kHz,正弦波II 的輸出頻率范圍為24kHz30kHz。輸出波形無明顯失真。 （

5、3）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%。2 電路設(shè)計(jì)2.1工作原理NE555構(gòu)成了多諧振蕩器，內(nèi)部可以產(chǎn)生脈沖波和鋸齒波，將鋸齒波經(jīng)過LM324一個(gè)比例運(yùn)算放大電路，就可以得到所需的鋸齒波。然后讓鋸齒波輸出分別通入由LM324組成的低通濾波器電路和高通濾波器電路，就可得到一次正弦波和二次正弦波。3 各主要電路及部件工作原理3.1脈沖波產(chǎn)生電路 脈沖波由NE555芯片搭建的多穩(wěn)態(tài)諧振器振動(dòng)產(chǎn)生，頻率可調(diào)，為。參考NE555芯片使用手冊(cè)可知，芯片輸出波形的峰峰值為10V左右。使用Multisim仿真的脈沖波產(chǎn)生電路如下圖1所示。 圖1 脈沖波發(fā)生電路利用軟件進(jìn)行波形的仿真

6、，得到脈沖波的圖形如圖2所示 圖2 脈沖波仿真波形3.2鋸齒波發(fā)生電路 在鋸齒波發(fā)生電路的設(shè)計(jì)中，原始方案是采用教材中的鋸齒波發(fā)生電路，是通過調(diào)整積分電路的正向和反向時(shí)間常數(shù)的不同，對(duì)輸入信號(hào)的脈沖波進(jìn)行積分產(chǎn)生鋸齒波（該電路是需要二極管的）。開始是按照這個(gè)思路進(jìn)行仿真的。因?yàn)橐瑫r(shí)調(diào)整正向和反向積分的時(shí)間常數(shù)，于是我們就想可以在調(diào)整脈沖波的輸出頻率的時(shí)候，只改變高電平或者低電平的持續(xù)時(shí)間，然后在鋸齒波發(fā)生電路中選取合適的電容值，然后就可以講正向或者反向的電阻值固定，只改變另一方向的電阻值就可以了。見圖3是該方案的仿真電路 圖3 鋸齒波產(chǎn)生電路 見圖1，是用NE555產(chǎn)生出脈沖波，然后通過鋸齒

7、波產(chǎn)生電路，這里仿真沒有選擇功放為LM324，未考慮的負(fù)載電阻以及輸出的峰峰值。脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)取值如下根據(jù)NE555芯片的使用手冊(cè)，有以下有用公式：根據(jù)以上的公式，就可以計(jì)算出理論上的各種參數(shù)： 在對(duì)鋸齒波進(jìn)行仿真的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)波形有些失真，上網(wǎng)查閱資料后得知要是常數(shù)跟脈沖波的時(shí)間相匹配才行。去鋸齒波發(fā)生電路的參數(shù)選擇及計(jì)算過程如下：如圖1所示，為一個(gè)電阻和一個(gè)電位器組成，取仿真結(jié)果見圖4的鋸齒波。圖4 鋸齒波仿真波形從圖4的波形中算出鋸齒波的峰峰值為 由于要求負(fù)載電阻為，不能直接進(jìn)行分壓來控制峰峰值為,再用功放來滿足峰峰值的要求的話，LM324的四功放無法滿足整個(gè)電路的需求，因此

8、這種鋸齒波的單元電路就被放棄了，需要進(jìn)行改進(jìn)。查閱資料發(fā)現(xiàn)了在NE555芯片構(gòu)成的脈沖波發(fā)生電路中就有鋸齒波，只需要在該處輸出，然后調(diào)整峰峰值便可以得到要求的鋸齒波。改進(jìn)后的電路仿真圖如下圖5。 圖5 改進(jìn)后的脈沖波和鋸齒波發(fā)生電路 改進(jìn)后的電路對(duì)脈沖波發(fā)生電路的參數(shù)也進(jìn)行了調(diào)整，讓脈沖波的占空比接近一半。鋸齒波發(fā)生電路是一個(gè)反向比例運(yùn)算電路，由公式 參數(shù)的選擇如下： 對(duì)該電路進(jìn)行軟件仿真得到理論上的鋸齒波波形，見圖6。圖中另一個(gè)波形是NE555芯片的輸出波形。圖6 改進(jìn)電路后的脈沖波和鋸齒波的仿真波形 得到的鋸齒波的峰峰值約為，頻率與NE555芯片產(chǎn)生的脈沖波頻率保持一致，滿足實(shí)驗(yàn)要求，就完

9、成了鋸齒波波形發(fā)生電路的理論設(shè)計(jì)。3.3正弦波發(fā)生電路 在電路的設(shè)計(jì)初期，一次正弦波，也就是的正弦波發(fā)生電路是采用的是截止頻率為的二階壓控電壓源低通濾波器，電路圖見下圖 圖7 二階壓控電壓源低通濾波器原理圖 根據(jù)截至頻率，查圖確定電容的標(biāo)稱值圖8 二階壓控電壓源低通濾波電路參數(shù)選取參考圖取 查表確定電容的值，以及時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻。1246810 1.4221.1260.8240.6170.5210.4625.3992.2501.5372.0512.4292.742開路6.7523.1483.2033.3723.56006.7529.44416.01223.60232.038表1 -1 二階壓控電壓

10、源低通濾波器參數(shù)表因?yàn)榈屯V波器的輸入直接從鋸齒波發(fā)生電路的輸出端引入，峰峰值為，所以將上列阻值乘以計(jì)算出來的值進(jìn)行電路仿真后電路圖如圖 圖9 二階壓控電壓源低通濾波器仿真電路 圖9下部分就是二階壓控電壓源低通濾波器電路（一次正弦波產(chǎn)生電路），藍(lán)色的線分別是濾波器的輸入和輸出端，其中輸入端是鋸齒波發(fā)生電路的輸出端，即輸入峰峰值為的鋸齒波。 仿真的波形如下圖9所示圖10 一次正弦波仿真波形 圖中，上部分波形是輸入的峰峰值為的鋸齒波，下部分是一次正弦波，頻率與鋸齒波保持一致，但是峰峰值沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的，有所衰減。于是對(duì)電路的參數(shù)重新選擇。 修改后的仿真電路圖如下 圖11 改進(jìn)后的二階壓控電壓源低

11、通濾波電路再次進(jìn)行波形的仿真，結(jié)果如下圖：圖12 改進(jìn)后的一次正弦波仿真波形 從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，波形的峰峰值又超過了，對(duì)電路進(jìn)行理論分析，發(fā)現(xiàn)因?yàn)槭褂玫膯坞娫矗秒娮栌绊懥嗽九c地直接只有的的阻值，串上了偏置電阻。根據(jù)二階壓控電壓源電路的放大倍數(shù)公式進(jìn)行電阻的調(diào)整。取得到的滿足條件的峰峰值為的一次正弦波。上面的波形是從鋸齒波發(fā)生電路輸出的鋸齒波，下面的是經(jīng)過低通濾波器之后產(chǎn)生的一次正弦波波形，兩個(gè)波形的峰峰值單位都是，可知波形在的仿真結(jié)果都滿足實(shí)驗(yàn)要求。該部分的仿真設(shè)計(jì)就完成了。圖13 一次正弦波仿真波形 3.4 二次正弦波發(fā)生電路 二次正弦波的電路的設(shè)計(jì)思路是通過一個(gè)通帶為的帶通濾波器。

12、設(shè)計(jì)該濾波器是采用的無限增益多路反饋（MFB）電路。該電路的電路圖如下所示。 圖14 無限增益多路反饋電路原理圖該電路有以下公式方便參數(shù)選擇為了使通帶更加平坦，應(yīng)該盡量使值大，查二階無限增益多路反饋帶通濾波器設(shè)計(jì)用表歸一化電路元件值電路元件增益1246810510表1-2 無限增益多路反饋電路參數(shù)選擇表參數(shù)選擇如下：仿真的電路圖如下圖所示： 圖15 無限增益多路反饋電路（帶通濾波器） 對(duì)電路進(jìn)行波形仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接入一個(gè)波形發(fā)生器進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候，輸出的波形不會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率變化而變化，始終為左右，于是想到?jīng)]有接輸入信號(hào)，直接查看輸入端和輸出端的波形，結(jié)果如下： 圖16 無限增益多路反饋電路

13、的自激振蕩仿真波形 仿真的波形圖中上面的波形是A端，即輸入端的波形，下面的波形是輸出端的波形，兩個(gè)探針A/B分別放在輸入和輸出端。這里沒有輸入的信號(hào)，輸出卻穩(wěn)定在將近，可知電路產(chǎn)生了自激震蕩。 對(duì)電路進(jìn)行改進(jìn)，重新選取參數(shù) 對(duì)電路的波形進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)峰峰值比較小，與實(shí)驗(yàn)要求差距較大，由，可知，縮小的值會(huì)使放大倍數(shù)增大，而且對(duì)通帶的中心頻率影響也較小。電容值取實(shí)驗(yàn)室有的電容。改進(jìn)后的電路圖如下所示圖17 改進(jìn)后的無限增益多路反饋電路 對(duì)電路進(jìn)行仿真，查看仿真出的波形結(jié)果如下圖，由波形可以知道該電路產(chǎn)生的三次正弦波的頻率是滿足實(shí)驗(yàn)要求的，但是峰峰值沒有達(dá)到要求的9V。兩個(gè)波形的峰峰值單位分別是和圖

14、18 三次正弦波仿真波形4 原理總圖 圖19 總體方框圖5 元器件清單表1-3 元器件清單6 調(diào)試過程及測(cè)試數(shù)據(jù)（或者仿真結(jié)果） 為使電路便于調(diào)試我們采用分塊調(diào)試的方法。6.1 通電前檢查 電路安裝完畢后，經(jīng)檢查電路各部分接線正確，電源、元器件之間無短路，器件無接錯(cuò)現(xiàn)象。6.2 仿真結(jié)果 圖20 總體仿真波形圖6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 觀察示波器上顯示波形，可以看出方波和鋸齒波以及正弦波波形良好，沒有失真現(xiàn)象，達(dá)到了課題的要求。7 小結(jié) 本次實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長，在仿真設(shè)計(jì)電路的階段占了很大一部分時(shí)間，拖慢了實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。在電路仿真設(shè)計(jì)中，開始沒有選取實(shí)驗(yàn)要求使用的LM324運(yùn)放，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)無限增益多路反饋電路

15、時(shí)出現(xiàn)了自激振蕩而找不到具體的原因。掌握了單電源的使用方法，以及對(duì)單電源電路的參數(shù)選擇，以及盡量減小單電源偏執(zhí)電路對(duì)原電路影響的方法。了解了運(yùn)放的型號(hào)不同，參數(shù)會(huì)有所不同，會(huì)很大地影響電路仿真的結(jié)果。在實(shí)際電路的制作過程中，因?yàn)殡娮?、電容值的誤差，實(shí)際需要進(jìn)行參數(shù)的再次調(diào)整，而且有些電路焊接的影響在電路仿真階段是無法預(yù)知的。8 體會(huì)通過這次課設(shè)使我學(xué)到了很新的東西，知道了怎樣去設(shè)計(jì)電路、調(diào)試電路以及對(duì)電路進(jìn)行修正，體會(huì)到了理論與實(shí)踐的差異。課程設(shè)計(jì)雖然有點(diǎn)難但是確實(shí)能鍛煉我們對(duì)知識(shí)的掌握以及運(yùn)用理論指實(shí)踐的能力。當(dāng)我一著手清理自己的設(shè)計(jì)成果，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消雖然這是我剛學(xué)會(huì)走完的第一步，也是人生的一點(diǎn)小小的勝利，然而它令我感到自己成熟的許多，通過課程設(shè)計(jì)，使我深體會(huì)到，干任何事都必須耐心，細(xì)致通過這次課程設(shè)計(jì)，加強(qiáng)了我們動(dòng)手、思考和解決