电子技术课程设计报告_波形产生及变换.doc

河南理工大学电子技术课程设计电子技术课程设计报告波形产生及变换 姓 名：Frege专业班级：电气合1402所属学院：电气工程与自动化学院指导老师：王允建2016 年 7 月 1 日波形产生与变换电路的设计摘 要波形发生器广泛地应用于各大院校和科研场所。随着科技的进步，社会的发展，单一的波形发生器已经不能满足人们的需求。本文利用555定时器构成多谐振荡器产生方波，然后分别通过积分、滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。放大器件为LM324N四路放大器，以积分、傅立叶分解等为理论基础，通过运放构成的各种滤波电路对方波进行各种波形变换。它的制作成本不高，电路简单，使用方便，有效的节省了人力，物力资源，具有实际的应用价值。实验包括仿真与实际连线两步，仿真采用Multisim仿真软件，连线采用面包板。关键词：555定时器；LM324N四路放大器；Multisim仿真；面包板接线The design of the signal and conversion circuitAbstractWaveform generators are widely used in major universities and research establishments. With advances in technology, social development, a single waveform generator already cannot satisfy peoples needs. In this paper constitutes a 555 timer multivibrator generating a square wave, then respectively through integral, filter circuit and output triangle wave, sine wave, triple frequency sine wave. Amplifying device is LM324N, based on the theory of integral, Fourier decomposition and so on, through the op-amp composition of various filter circuit wave for the various waveform transformation. Its production cost is not high, the circuit is simple, easy to use, effectively saving manpower, material resources, have practical value. Experiments include simulation and actual connection step, simulation using Multisim simulation software, connect using breadboard.Keywords: 555 timer; LM324N four-way amplifier; Multisim simulation; breadboard connection目 录1 设计指标及要求12 设计思路及系统框图12.1 设计思路12.2 系统框图13 各单元硬件电路设计23.1 555定时器23.1.1 555定时器电路组成：23.1.2 555定时器引脚的作用：23.1.3 555定时器基本功能33.2 方波产生电路43.3 三角波产生电路53.4 正弦波产生电路63.5 三次正弦波发生电路74 完整电路图及其仿真75 面包板接线图及实验结果分析96 元器件清单117 心得体会111 设计指标及要求设计一波形产生变换电路，输出方波、三角波、正弦基波和正弦三次谐波。要求：1、频率范围1k10k。2、输出信号峰峰值不小于1V。3、信号失真要小。4、使用集成模块555定时器和LM324运放，在面包板上实现设计功能。5、用面包板插接电路，示波器显示波形。2 设计思路及系统框图2.1 设计思路本次设计的基本思路是采用555定时器构成多谐振荡器产生方波，然后分别通过积分、低通滤波、带通滤波电路输出三角波、正弦波、三倍频率正弦波。对555定时器输出的波形进行积分运算可以得到三角波，所以三角波可以通过将555定时器产生的方波通过无源RC积分电路得到的，但是无源积分电路对于信号的衰减比较严重，因此需要在RC积分电路的输出端接一个反相放大器，把波形放大到合适的幅值。 对方波进行傅立叶变换，可以把方波分解为一系列频率是基波频率奇数倍的正弦函数，采用低通滤波器可以得到的正弦波。将方波中的基波和三次以上的谐波滤除，只保留三次谐波部分，即可得到相应的正弦三次谐波。2.2 系统框图系统设计框图如图2-1所示：图2-1 系统框图3 各单元硬件电路设计3.1 555定时器555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、多谐和施密特触发器。本实验通过将555接成自激多谐振荡器产生方波。 3.1.1 555定时器电路组成：（1）图3-1为555集成定时器555定时器的内部逻辑图，其由五个组成；（2）由三个阻值为5k的电阻组成的分压器；（3）两个电压比较器C1和C2：v+v时vo=1；v+v时vo=0。 （4）基本RS触发器；（5）放电三极管T及缓冲器G。TvovICvI1vI2voC1C2+-+(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)RS&5 kW 5 kW 5 kW &1RDVCC(8)G图3-1 555定时器的内部逻辑图3.1.2 555定时器引脚的作用： 1引脚：接地端，与地相接； 2引脚：低触发输入端； 3引脚：电压输出端Vo； 4引脚：是直接清零端。当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5引脚:：VC为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01F电容接地，以防引入干扰。6引脚：TH高输入端； 7引脚：放电端； 8引脚：电源输入端。外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 18V。一般用5V。3.1.3 555定时器基本功能当5脚悬空时，比较器C1和C2的比较电压分别为ccV32和ccV31 （1）当vI12/3VCC，vI21/3VCC时，比较器C1输出低电平，C2输出高电平，基本RS触发器置0，放电三极管T导通，输出端vO为低电平。 （2）当vI12/3VCC，vI21/3VCC时，比较器C1输出高电平，C2输出低电平，基本RS触发器置1，放电三极管T截止，输出端vO为高电平。 （3）当vI11/3VCC时，比较器 C1输出高电平，C2也输出高电平， 即基本RS触发器R=1，S=1，触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。 由于阈值输入端(vI1) 为高电平（2/3VCC）时，定时器输出低电平，因此也将该端称为高触发端（TH）。 因为触发输入端(vI2)为低电平（1/3VCC）时，定时器输出高电平，因此也将该端称为低触发端（TL）。另外，RD为复位输入端，当RD为低电平时，不管其他输入端的状态如何，输出vo为低电平，即RD的控制级别最高。正常工作时，一般应将其接高电平。555定时器功能表如图3-2：图3-2 555定时器功能表3.2 方波产生电路方波电路如图3-3所示：图3-3 方波电路当电容C1被充电时，2和6引脚的电压都上升，此时二极管D1导通，接通电源后，电容C1被充电，Vc上升，当Vc上升到2Vcc/3时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时输出电平Vo为低电平，电容C1通过R2和T放电，使Vc下降。当Vc下降到Vcc/3时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。 电容器C1经R2，R3，他们此时所分的总阻值为R1向电容C1放电,放电所需的时间为： tPL=R1*C1* ln20.7* R1*C1； 当C1放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2所分得的阻值为R3向电容器C2充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为： tPH=R3*C2* ln20.7*R3*C2；当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率为：f=1 / (tPL+tPH) 1.43 / (R1+R2) *C1 稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。并使2端电位瞬时低于1/3Vcc，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。当Vc充电到2/3Vcc时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。波形如图3-4所示：图3-4 方波波形3.3 三角波产生电路三角波电路如图3-5所示：图3-5 三角波电路基本原理是利用无源RC积分电路将产生的方波变成三角波。 令输入电压为输出为，流过电容 C的电流为，则由公式(3-1)得： (3-1)即输出电压与输入电压成积分关系。当为固定值时，表明输出电压斜率固定的直线，变化，输出电压也随着发生变化。因而当为矩形波时，便成为三角波。此外，由于电容和滑动变阻器的存在，使得输出的三角波在输入矩形波频率一定的时候也能适当调整，电容的存在，又滤除了其他波的干扰。提高了系统的抗干扰性。 该部分的电路主要是一个无源积分电路加一个反相放大器，R2与C5构成积分电路，其大小的选取主要是要保证RC积分电路的时间常数要小于方波的周期，这样才能保证RC电路对方波的有效积分，不会出现失真的情况。放大电路的放大倍数是由R18与R19决定的，方波信号经过无源RC积分电路大约衰减16倍左右， 这里将三角波放大5倍即可满足幅值大于500mV的要求。因为放大器采取的是单电源供电，所以要在同相输入端接一个偏置电压，这样才能保证对信号完整的放大。3.4 正弦波产生电路正弦波电路如图3-6所示：图3-6 正弦波电路基波正弦波产生电路采用有源低通二阶滤波电路构成，二阶压控电压源低通滤波电路由两个RC环节和反相比例放大电路构成。其通带电压放大倍数如公式(3-2)： (3-2)其传递函数公式(3-3)为：(3-3) 其中Wo=1/RC 为截止角频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。 为品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。3.5 三次正弦波发生电路三次正弦波电路如图3-7所示：图3-7 三次正弦波电路基本原理是采用带通滤波方法对输入的方波滤波，提取出三次谐波，经放大后输出为3倍频率正弦波。原理与3.4类似，但本实验为两RC电路分别构成低通高通滤波电路，级联，构成所谓的带通滤波电路，对电阻R及电容C进行调节，从而实现对实验要求的3次谐波的提取。4 完整电路图及其仿真整体电路图如图4-1所示：图4-1 整体电路Multisim中仿真波形如下图4-2：图4-2 仿真波形从仿真的结果来看，结果基本与预期一致。但是，正弦三次谐波的存在一定的误差。分析其原因，可能是耦合电容选取不当，对输入信号产生了一定的影响；也可能是同相输入端的电阻选得有点小，并且没有并联电容，有干扰电流流入运放。 5 面包板接线图及实验结果分析面包板接线图如图5-1所示：图5-1 面包板接线图实验结果如下：方波波形如图5-2所示：图5-2 方波波形三角波波形如图5-3所示：图5-3 三角波波形正弦波波形如图5-4所示：图5-4 正弦波波形三次正弦波波形如图5-5所示：图5-5 三次正弦波波形由图可见，方波、三角波、正弦波的波形比较标准，但三次谐波效果并不是太好。实物连接的过程中也不顺利，不是波形不出现，毛刺太多，就是波形抖动失真不规则。最头疼的三次谐波，按照仿真图上怎么调节都无法出现想要的结果，最后经过多次分析，尝试，换了各种大小的电阻电容后也无法与理想结果接近。通过本次实验也让我们认识到理论与实际的差异，以及自己对知识理解的不深入，对自身优势与缺点也有了更深刻的认识，实际收获无疑也是巨大的。6 元器件清单芯片：LM555CM；LM324N；电阻：若干； 电容：若干；5V电源；示波器；面包板7 心得体会整个课程设计让我们深刻认识到了“理论联系实际”的这句话的重要性，让我们感触颇深。在波形的产生设计过程中，我们对抽象的理论有了具体的认识，掌握了不少常用元件的识别和测试，熟悉了各种仪器仪表的使用。通过此次课程的设计，我不但了解了我对电子技术这门课知识的掌握有